Progettare 463

80 progettare 463 • giugno / luglio 2024 Massimizzare flusso e reazione La fase di de-omogeneizzazione è neces- saria, specifica Zhou, perché “non possia- mo fabbricare un materiale poroso ideale progettando ogni poro individualmente. Dobbiamo installare pareti e canali per dirigere il fluido attraverso i pori in modi che si avvicinino all’ideale. Utilizziamo Comsol Multiphysics per risolvere un’e- quazione differenziale alle derivate parziali (PDE) personalizzata per la generazione del modello. Il software ci fornisce anche grafici che possiamo utilizzare per visua- lizzare i risultati”. Due delle forme create dalle equazioni di de-omogeneizzazione di Trina sono mo- strate nella Figura 7 e nella Figura 8. Come già detto, gli obiettivi guida per le presta- zioni sono: 1) ridurre la resistenza al flusso del reagente e 2) migliorare l’alimenta- zione del reagente e l’uniformità della reazione sull’intera piastra. Questi obiettivi sono rappresentati da variabili di governo nella PDE del modello.Assegnando diversi fattori di peso a questi due obiettivi, Zhou e il suo team possono indurre il modello a generare diverse opzioni di progetto. Possono quindi valutare i meriti relativi di ciascuna opzione e apportare modifiche per produrre ulteriori iterazioni. Rispetto al progetto mostrato nella Figura 7, Zhou afferma: “Lo chiamiamo ‘flow de- sign’ perché porta alla più piccola perdita di pressione sull’intera superficie del campo di flusso. Il modello ha generato percorsi relativamente paralleli e rettilinei, senza molte ramificazioni laterali”. Sebbene questo progetto muova effica- cemente il fluido attraverso la piastra, non riesce a distribuire uniformemente il reagente attraverso lo strato di materiale poroso. La simulazionemostra unaminore concentrazione di reagente (rappresentata in verde e blu nell’immagine in basso a destra della Figura 7) sul lato di uscita del progetto: questo può limitare l’uniformità della reazione e la conseguente produzio- ne di energia dalla cella a combustibile. E se i criteri di valutazione nell’equazione di governo fossero regolati in modo da privilegiare l’uniformità della reazione, piuttosto che il flusso? Il modello genere- rebbe un progetto come quello mostrato nella Figura 8, che Zhou chiama ‘reaction design’. Ora predominano le alte concen- trazioni di reagente (in rosso e arancio- ne nell’immagine in basso a destra), a indicare che viene impiegata una quota maggiore del reagente disponibile. Le for- me intricate dei microcanali del “reaction design” potranno sembrare familiari agli studenti di biologia. “La maggior parte dei microreattori com- merciali utilizza un progetto in qualche modo simile al nostro ‘flowdesign’”, spiega Zhou. Ma i sistemi naturali che distribui- scono i reagenti fluidi, come le foglie, i polmoni e i vasi sanguigni, assomigliano SOFTWARE Figura 7. Quattro visualizzazioni che mostrano diversi aspetti di un progetto di microcanale ottimizzato per il flusso. In tutte le figure, il fluido scorre dall’ingresso in alto a sinistra all’uscita in basso a destra. In alto a sinistra: i vet- tori di orientamento del flusso desiderato attraverso il materiale poroso. In alto a destra: percorsi di orientamento attraverso il microcanale che possono produrre i vettori desiderati. In basso a sinistra: design del microcanale de- omogeneizzato. In basso a destra: un’immagine di simulazione del sottostrato che mostra la distribuzione della con- centrazione dei reagenti. Figura 8. Quattro visualizzazioni che mostrano diversi aspetti di un progetto di microcanale ottimizzato per la reazi- one. Questa opzione prevede una combinazione di ‘arterie’ primarie e ‘capillari’ secondari. Le arterie sostengono il flusso complessivo verso l’uscita, mentre i capillari consentono una distribuzione più ampia del reagente verso l’elettrodo. In tutte le figure, il fluido scorre dall’ingresso in alto a sinistra all’uscita in basso a destra.