Bio-fluidodinamica

1. Bio-fluidodinamica Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

2. Emodinamica Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

3. Polmoni Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

4. La fluidodinamica: un fascino vecchio di secoli! Alcune immagini sono riprese da Simone Zuccher , E-mail: zuccher@sci.univr.it, 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

5. 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

6. Woolsthorpe-by-Colsterworth Forse Newton meritava una strada più importante … Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

7. La grande intuizione di Isacco Newton Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

8. 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

9. Giocando con Reynolds ed aspirando la morte …. IL SUICIDA Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

10. Transizione laminare / turbolento Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

11. 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

12. 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

13. La conservazione della massa, Equazione della continuità Albert Einstein Ulma, 14 Marzo 1879– Princeton, 18 Aprile 1955 Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. Caccia a decollo verticale Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. In cucina... Fluidodinamica e Chimica Casi molto frequenti ….. Alcune immagini sono riprese da una presentazione di Simone Zuccher dell’Università di Verona E-mail: zuccher@sci.univr.it, 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

30. 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 , dario.bressanini@uninsubria.it Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

31. 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 , dario.bressanini@uninsubria.it Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

32. 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

33. 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 : eamato@unict.it Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

34. In giardino... Caso molto frequente ….. Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

35. Per le pulizie... Caso molto frequente ….. Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

36. In cantina... Caso molto frequente ….. Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

37. Fluidodinamica ed adrenalina... FD e Chimica in caduta libera ... Produzione di adrenalina purissima Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

38. Sugli sci... Ancora adrenalina Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

39. In mare... Alinghi in andatura di bolina Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

40. In bici... Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica

41. In pista... Orazio Puglisi: La Chimica e la Fluidodinamica