Bio fluidodinamica
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Bio-fluidodinamica. Emodinamica. Polmoni. La fluidodinamica: un fascino vecchio di secoli!. Alcune immagini sono riprese da Simone Zuccher , E-mail: [email protected], Web page: http://profs.sci.univr.it/»zuccher/.

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Bio-fluidodinamica

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Presentation Transcript


Bio fluidodinamica

Bio-fluidodinamica

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Emodinamica

Emodinamica

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Polmoni

Polmoni

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


La fluidodinamica un fascino vecchio di secoli

La fluidodinamica: un fascino vecchio di secoli!

Alcune immagini sono riprese da Simone Zuccher , E-mail: [email protected], Web page: http://profs.sci.univr.it/»zuccher/.

Le altre immagini sono prese dal mio archivio personale o da Internet.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Sir isaac newton

Sir Isaac Newton

Isaac Newton

Woolsthorpe-by-Colsterworth *, 4 /1/ 1643 – Londra, 31 / 3 /1727

*Woolsthorpe-by-Colsterworth è un piccolo villaggio, oggi disabitato, nella parrocchia civile di Colsterworth, nella Contea del Lincolnshire, noto solo per essere il luogo di nascita di Sir Isaac Newton

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Woolsthorpe by colsterworth

Woolsthorpe-by-Colsterworth

Forse Newton meritava una strada più importante …

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


La grande intuizione di isacco newton

La grande intuizione di Isacco Newton

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Il ruolo delle forze intermolecolari

Il ruolo delle forze intermolecolari

Transizione superfluido – flusso laminare - flusso turbolento. All’aumentare della velocità le forze intermolecolari perdono il controllo dell’intero volume.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Giocando con reynolds ed aspirando la morte

Giocando con Reynolds ed aspirando la morte ….

IL SUICIDA

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Transizione laminare turbolento

Transizione laminare / turbolento

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Bilancio delle forze le equazioni di navier stokes i guai cominciano qui

Bilancio delle forze: Le equazioni di Navier-Stokes (i guai cominciano qui …)

Claude-Louis Navier

(10 Febbraio 1785 – 21 Agosto 1836)

Sir George Gabriel Stokes

(13 Agosto 1819 – 1 Febbraio 1903)

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Bisogna aggiungere ancora due bilanci

Bisogna aggiungere ancora due bilanci …

In aggiunta alle tre NS (una per ogni dimensione Euclidea), vanno considerate altre due equazioni:

  • La conservazione della massa ( Equazione della continuità di A. Einstein)

  • Bilancio di energia ( caso dissipativo ).

    In totale abbiamo cinque Equazioni differenziali.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


La conservazione della massa equazione della continuit

La conservazione della massa, Equazione della continuità

Albert Einstein

Ulma, 14 Marzo 1879– Princeton, 18 Aprile 1955

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


La conservazione dell energia e la dissipazione altri guai

La conservazione dell’energia e la dissipazione (altri guai …)

Daniel Bernoulli

Groninga, 29 Gennaio 1700-Basilea 27 Luglio 1782

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Difficolt legate alle equazioni di navier stokes

Difficoltà legate alle equazioni di Navier-Stokes

Nel Maggio 2000 il Clay Mathematics Institute (Cambridge, MA, USA)

istituisce il Millennium Prize: un milione di dollari per ognuno dei sette

problemi considerati important classic questions that have resisted

solution over the years.

Tra questi, ci sono le equazioni di Navier-Stokes:

[...] Although these equations were written down in the 19th Century, our understanding of them remains minimal. The challenge is to make substantial progress toward a mathematical theory which will unlock the secrets hidden in the Navier-Stokes equations.

Il premio per le equazioni di Navier-Stokes va a chi riesce a

dimostrare tra l’altro:

Existence of Navier -Stokes solutions on R3

Existence of Navier-Stokes solutions on R3 \ Z3

Breakdown of Navier-Stokes solutions on R3

Breakdown of Navier-Stokes solutions on R3 \ Z3

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Un contributo italiano

Un contributo italiano

Il Dott. Alessio Figalli nominato vincitore del

PREMIO ANILE 2010.“… the jury has nominated

Dr. Alessio Figalli for his impressive contributions to the analysis of applied partial differential equations, and more specifically to the theories of optimal transportation, incompressible Euler equations and Hamilton-Jacobi equations..”

Marcello Anile

Alessio Figalli

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Approcci alternativi

Approcci alternativi

...le 5 equazioni della FD sono molto complesse, ma io voglio ad ogni costo risolvere i miei problemi pratici. Come faccio?

- Experimental Fluid Dynamics (EFD): risolviamo direttamente le

equazioni “sul campo”. Problema: costi, pericolosità, dipendenza dalla fortuna! Quanta gente è morta a causa di questo approccio!

- Analytical Fluid Dynamics (AFD): semplifico le equazioni (problema: quali termini scarto?) fino a quando siamo in grado di risolverle. Spesso i passaggi sono molto elaborati e le soluzioni limitate a casi specifici.

  • Computational Fluid Dynamics (CFD): risolviamonumericamente *le 5 equazioni fondamentali della FD. Per problemi veri, malgrado le forti approssimazioni, il costo computazionale è stratosferico e quindi l’approccio è problematico. Solo ai nostri giorni il gioco vale la candela ... (forse)

    * Per inciso, il vero inventore del metodo numerico per la risoluzione delle equazioni differenziali è Isacco Newton. ( ancora lui: che noia!)

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Ebbene si un asino ma molto veloce oppure anche se veloce resta un asino

Ebbene si: è un asino ma è molto veloce! Oppure: Anche se veloce, resta un asino

Il super computer più veloce al mondo è Giapponese si chiama Fujitsu K , capace di effettuare 8,2 quadrilioni di operazioni in virgola mobile al secondo.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Fluidodinamica numerica

Fluidodinamica numerica

Branca della fluidodinamica che utilizza metodi numerici, potenza di calcolo e algoritmi efficienti per risolvere ed analizzare problemi pratici di interesse ingegneristico.

E però, malgrado vengano usate equazioni semplificate e supercomputer ad alta velocità, otteniamo solo soluzioni approssimate. Con geometrie complesse ( esempio del flusso completo attorno ad un velivolo o un aeromobile)lasoluzione dettagliata è tutt’ora impossibile. La validazione del codice avviene tramite gli esperimenti.

Quando le lunghezze caratteristiche del fenomeno hanno uno spettro molto ampio (turbolenza) la soluzione numerica è problematica perché la griglia deve essere sufficientemente raffinata, nello spazio e nel tempo, da catturare tutti i fenomeni connessi.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Esperimenti sul campo

Esperimenti sul campo

Obiettivo: riprodurre il problema reale sul campo mediante

Gallerie del vento ( bassa velocità, alta velocità, transoniche, supersoniche, ipersoniche, criogeniche, orizzontali o verticali, di piccole o grandi dimensioni) e

Gallerie “ad acqua” (= bassa velocità).

Vasche per problemi di idrodinamica.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Caccia a decollo verticale

Caccia a decollo verticale

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Casi comuni

Casi “comuni” …

Ala instabile su un F18

per migliorare la

maneggevolezza

durante il combattimento

L’ala della navetta

stabilizza la rotta

Ma perché solo tre pale?

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Ma non finisce qui

Ma non finisce qui ...

In molti casi (combustione e reazioni chimiche in generale) è necessario risolvere simultaneamente alle cinque equazioni della FD anche altre equazioni.

Queste possono descrivere la cinetica di reazioni chimiche (per ottenere la concentrazione delle specie in funzione dello spazio e del tempo),

scambi di calore complessi con moti convettivi e diffusivi (anche derivanti dalla cinetica chimica),

matrici di Onsager (diffusione chimica),

flussi multi fase (compresenza di fase liquida/gassosa, solida/gassosa o liquida/solida), in presenza di fluidi non-Newtoniani (sangue, polimeri, sospensioni) e/o compressibili etc.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Ma dov la chimica

Ma dov’è la Chimica?

Per descrivere le reazioni chimiche ed i flussi multi fase, modifichiamo opportunamente l’equazione della continuità aggiungendo i termini reattivi e gli equilibri di ripartizione.

Più problematica la trattazione dei fluidi non-Newtoniani (sangue) e dei fluidi compressibili.

La soluzione numerica delle equazioni della FD nei nostri casi (chimico, biologico ed ingegneristico) è problematica!

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Perch la chimica complica tutto

Perché la chimica complica tutto?

Il processo chimico dipende fortemente dal mezzo in cui avviene ma lo trasforma perché cambia la composizione del fluido e quindi anche le forze intermolecolari che sono quelle che governano l’attrito. Inoltre la reazione comporta anche grossi quantitativi di calore in entrata o in uscita che, cambiando la temperatura, modificano drasticamente ancora una volta le forze intermolecolari.

L’evoluzione chimica dipende dal fluido ma ne riscrive tutto il comportamento.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Chimica e fluidodinamica ci moriremo sopra

Chimica e fluidodinamica: Ci moriremo sopra?

Tipico studente di Chimica la notte prima degli esami:

Lo studio uccide? Ma cos’è il chiodo fisso?

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Ma chi ce lo fa fare

Ma chi ce lo fa fare?

Malgrado queste incredibili difficoltà vale la pena studiare la connessione Chimica - FD anche perché la ritroviamo dappertutto:

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Consegna merci speciale consegna regali a circa un miliardo di bambini in una sola notte

Consegna merci speciale … consegna regali a circa un miliardo di bambini in una sola notte

Cas1 poco frequent1 …..

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In cucina fluidodinamica e chimica

In cucina... Fluidodinamica e Chimica

Casi molto frequenti …..

Alcune immagini sono riprese da una presentazione di Simone Zuccher dell’Università di Verona E-mail: [email protected], Web page: http://profs.sci.univr.it/»zuccher/. Le altre immagini sono prese dal mio archivio personale o da Internet.

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Scienza cibo diagrammi di fase e nucleazione e crescita

Scienza, cibo, diagrammi di fase e nucleazione e crescita

Il diagramma di fase

della …. granita

La granita alla mandorla del Caffè Sicilia di Noto

Immagini tratte da: Dario Bressanini , [email protected]

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Fluidodinamica chimica e bistecche la reazione di maillard

Fluidodinamica, chimica e … bistecche : la reazione di Maillard

La presenza dell’acqua rallenta la reazione di Maillard che ha una velocità ottimale a circa 140 °C. La diffusione dell’acqua dall’interno verso la superficie della carne deve essere più lenta della cinetica della Maillard.

Louis Camille Maillard

Foto tratte da: Dario Bressanini , [email protected]

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Maillard newton lindt e cioccolato

Maillard, Newton, Lindt, e … cioccolato

Reazioni di Maillard, melanoidine, micro e nano fasi, passaggi di fase, fluidodinamica e tanta scienza nel “cibo degli dei” .

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


A proposito di scienza in cucina

A proposito di Scienza in Cucina

Chi volesse approfondire l’argomento della Scienza in cucina troverà utile contattare la

professoressa Emanuela AMATO

del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Catania : [email protected]

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In giardino

In giardino...

Caso molto frequente …..

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Per le pulizie

Per le pulizie...

Caso molto frequente …..

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In cantina

In cantina...

Caso molto frequente …..

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Fluidodinamica ed adrenalina

Fluidodinamica ed adrenalina...

FD e Chimica in caduta libera ... Produzione di adrenalina purissima

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


Sugli sci

Sugli sci...

Ancora adrenalina

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In mare

In mare...

Alinghi in andatura di bolina

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In bici

In bici...

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


In pista

In pista...

Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica


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