Rapporto sulla calibrazione delle TSP (Temperature Sensitive Paints)

The motivation behind this report concerns the preliminary and qualitative investigation about the capability of a Temperature Sensitive Paint (TSP) coated surface at constant temperature to show the local efficiency of a colder flow to remove heat from it, thus altering the surface temperature itself and giving rise to local temperature differences that evolves very quickly in time. In practice, an aluminum cylinder with a coaxial hole has been coated with a TSP and placed inside a cavitation tunnel, orthogonally to the flow. A constant temperature water flux, pumped from an external thermostatic bath with an high thermal inertia, is forced through the cylinder hole with the aim to maintain the cylinder temperature constant. The presence of the cylinder body inside the flow generates, at different Reynolds numbers, a series of different flow patterns and transition states (Zdravkovich, 1997) that, close to the surface, alters the heat removal efficiency of the flow, by modifying the local Nusselt number. The qualitative representation of this phenomenon, that is the goal of the present report, is the preliminary step that will be further developed in the effort to gain information about the skin friction exerted by the flow on the body surface. The expected results concern mainly the identification of the spatial position of the transition between laminar and turbulent flow and the time resolved representation of the coherent structures that develops around the cylinder, in contact with the surface.

Il presente documento contiene i risultati relativi ai test sulla calibrazione delle Temperature Sensitive Paints (TSP), effettuati presso le strutture del CNR-INSEAN di Roma, nel tunnel di cavitazione CEIMM. Le TSP utilizzate hanno la proprietà di assorbire la radiazione luminosa a una certa lunghezza d'onda (nel campo dell'UV, 400-410 nm) e di riemetterla a lunghezza d'onda più elevata, sopra i 630 nm. La quantità di radiazione luminosa riemessa è regolata da un meccanismo di "Thermal quenching" che rende l'emissione tanto più intensa quanto più bassa è la temperatura della superficie. I test sono stati pianificati allo scopo di investigare le capacità della TSP in esame di rispondere, nello spazio e nel tempo, alle sollecitazioni indotte da un flusso sulla superficie di un cilindro ortogonale alla corrente e rivestito con le TSP. Tali sollecitazioni sono raggruppabili, semplificando il discorso, in tre macro categorie: l'azione di un flusso laminare, la presenza di una zona di transizione laminare-turbolento e l'azione di strutture coerenti nella zona di flusso turbolento. L'azione di frizione esercitata dalle varie sollecitazioni sulla parete del cilindro le rende capaci di asportare calore in modo più o meno efficace e, essendo il cilindro mantenuto a temperatura costante e più elevata di quella del fluido, la mappa superficiale delle temperature istantanee sarà costituita dagli effetti delle differenti condizioni nel flusso in prossimità della parete. Partendo da singole istantanee di aree estese della superficie del cilindro e arrivando a sequenze temporali acquisite a frequenze dell'ordine delle centinaia di immagini al secondo di piccole zone, si è voluta quantificare la sensibilità delle TSP a rilevare la complessa mappa delle temperature sulla superficie del cilindro. L'attenzione è stata focalizzata, in questa prima fase, sulle capacità di risposta alla evoluzione temporale del fluido e le immagini elaborate sono state utilizzate per verificare la frequenza di shedding intorno al cilindro, attraverso la corrispondenza tra il numero di Strouhal per due casi investigati a diversi numeri di Reynolds e i dati di letteratura. Il significativo accordo del risultato ottenuto con i riferimenti bibliografici è un punto di partenza molto solido su cui impostare le future campagne di indagine, che saranno mirate all'utilizzo delle TSP nella stima quantitativa della frizione sulla parete di un corpo immerso in una corrente.