Analisi Numerica e Sperimentale delle Prestazioni di Pompe Centrifughe per Fluidi Non-Newtoniani

Centrifugal pumps are used in many applications in which non-newtonian fluids are involved: food processing industry, paper industry, pharmaceutical and oil/gas applications. In addition to pressure and temperature, the viscosity of a non-newtonian fluid depends on the shear rate and usually is several order of magnitudes higher than water. High values of viscosity cause a derating of pump performance respect to water. For the correction of the pump performance only few approaches are available. They rely on the estimation of a representative value of viscosity to be used with a high viscosity fluid performance correction (for instance the Hydraulic Institute method). The correction provided by these methods is applied a posteriori to the pump design developed with water as processed fluids. Nowadays pumping and mixing non-newtonian fluids is a matter of increasing interest, in the last years many progresses has been made, but there is still lack of a detailed analysis of the fluid-dynamics phenomenon involved inside these machines. In the present Thesis, an advance of knowledge in this field is attempted. Starting from a detailed literature review, that is carried out in order to give an overall point of view of the main centrifugal pump performance estimation problems with non-Newtonian fluids, a critical analysis of the most significant approaches for the estimation of the representative viscosity will be carried out. As part of the analysis, CFD numerical simulations will be carried out in two centrifugal pumps: a small size low specific speed pump for dirty water; and a large size high specific speed pump used in food processing industry. The numerical models were validated against experimental results obtained by means of several tests performed on the low specific speed pump. An on-purpose built test bench was used to investigate the influence in pump performance of three different non-newtonian fluids, which were mixtures of different concentration ratio of kaolin in water. The experimental analysis involved also the rheological characterization of the fluids by means of a rotating viscosimeter. Each pump performance test was accompanied by the rheological characterization of the fluid, in order to detected all modifications in the rheological phenomena of the fluid and allow the proper fluid modelization into CFD model. The performance obtained by using numerical simulations will be compared with the ones obtained through representative viscosity correction respect to water and finally a detailed analysis of the viscosity and shear rate distribution inside the pumps will be carried out in order to investigate the fluid-dynamics-rheological phenomenon involved in the performance derating. The analysis is focused on the laminar/turbulent transition and the influence of the viscosity index and consistency index of pseudo-plastic power law on the pump performance. Variations of the pump performance, related to the values of head, torque and efficiency are strongly related to the rheological behavior of the processed fluid. For this reason, a specific design process has to take into account these effects in order to define the proper pump geometry able to operate the non-newtonian fluid with specific characteristics. This thesis reports several hints useful during the design process and suitable for representing the basis on which future design methods will be based.

Le pompe centrifughe sono utilizzate in molteplici applicazioni dove si trovano ad elaborare fluidi non newtoniani come ad esempio nell’industria alimentare e della carta, nel settore farmaceutico e nelle applicazioni oil&gas. In aggiunta alla pressione e alla temperatura, la viscosità di un fluido non newtoniano dipende dallo sforzo di taglio e solitamente risulta essere molto più elevata rispetto a quella dell’acqua. Per la correzione delle prestazioni di una pompa solo pochi metodi sono disponibili. Questi metodi si basano sulla stima di un valore rappresentativo di viscosità da utilizzare per correggere le performance come se la pompa elaborasse un fluido più viscoso (per esempio il metodo dell’Hydraulic Institute). Il progetto della pompa viene comunque eseguito con acqua e la correzione delle prestazioni della pompa viene fatta solamente a posteriori. Attualmente l’utilizzo di sistemi di pompaggio e di miscelazione di fluidi non newtoniani è di crescente interesse e recentemente sono stati fatti dei passi in avanti, anche se tuttavia esiste ancora una mancanza di dettagliate analisi dei fenomeni fluidodinamici che si verificano all’interno di queste macchine. In questa Tesi, viene riportato un avanzamento della conoscenza in questo campo. Partendo da una dettagliata analisi dello stato dell’arte presente in letteratura, per fornire un punto di vista globale relativo ai problemi legati alla stima delle prestazioni di pompe centrifughe operanti con fluidi non newtoniani, è stata realizzata un’analisi critica dei metodi principali per stimare il valore rappresentativo della viscosità. Parte dell’analisi è stata condotta realizzando delle simulazioni numeriche CFD per due pompe centrifughe: la prima pompa, di piccola taglia, è caratterizzata da una bassa velocità specifica e realizzata per operare con acque sporche mentre la seconda, di grande taglia, è caratterizzata da un’elevata velocità specifica e realizzata per lavorare nell’industria alimentare. I modelli numerici sono stati validati utilizzando risultati sperimentali ottenuti da numerose prove eseguite sulla pompa di taglia più piccola. Un sistema sperimentale, creato per lo scopo specifico, è stato utilizzato per investigare l’influenza sulle prestazioni della pompa di tre diversi fluidi non newtoniani realizzati con tre diverse concentrazioni di polvere di caolino in acqua. L’analisi sperimentale ha coinvolto anche la caratterizzazione reologica dei fluidi attraverso un viscosimetro a piatti rotanti. Ogni curva caratteristica della pompa è stata accompagnata dalla caratterizzazione reologica del fluido per individuare di tutte le possibili variazioni della reologia del fluido e permettere una migliore modellazione nel codice CFD. Le prestazioni delle pompe ottenute dalle analisi numeriche sono state comparate con quelle ottenute attraverso i metodi di correzione rispetto alle prestazioni con acqua, basati sul valore rappresentativo di viscosità del fluido. Infine è stata eseguita un’analisi dettagliata dei valori dello sforzo di taglio per permettere l’analisi dell’influenza della reologia del fluido sul calo delle prestazioni della macchina. L’analisi è focalizzata sulla transizione laminare/turbolenta e sull’influenza della diversa curva di flusso, rappresentata dalla legge di potenza che caratterizza il fluido non newtoniano, sulle prestazioni della pompa. Variazioni delle prestazioni della pompa, legate alla prevalenza, coppia e rendimento sono strettamente legate alla reologia del fluido elaborato. Per questa ragione, uno specifico processo di progettazione deve tenere in considerazione questi effetti per permettere la definizione di una geometria appropriata della pompa capace di operare con il fluido non newtoniano con le sue specifiche caratteristiche. Questa Tesi riporta numerosi spunti, utili in fase di progetto e rappresentano la base su cui sviluppare, nel futuro, nuove metodologie di progettazione.