Uno dei principali obiettivi di questo lavoro è quello di sviluppare ed implementare in programmi di calcolo modelli matematici che consentano di simulare il comportamento termo-fluidodinamico dei fluidi criogenici che vengono convogliati in convezione forzata all’interno dei criostati dei cavi SC (SuperConduttori). Lo scopo è quello di sviluppare strumenti utili per la valutazione della stabilità del comportamento del cavo SC al variare delle condizioni che possono influire sulla efficacia della sua refrigerazione, quindi sul suo comportamento elettromagnetico e perciò sulla affidabilità e sicurezza del cavo stesso.

In questo lavoro a partire dalla derivazione delle equazioni fondamentali della dinamica dei fluidi è stato sviluppato un modello matematico monodimensionale che descrive il comportamento termo-fluidodinamico di fluidi criogenici che scorrono in convezione forzata all’interno dei tipici criostati tubolari impiegati per la refrigerazione dei cavi superconduttori. E’ stato appositamente sviluppato un programma di calcolo e simulazione nel linguaggio VBA (Visual Basic for Application) in ambiente Excel 2010 nel quale sono stati implementati i metodi numerici per la soluzione del sistema non lineare di equazioni differenziali che costituiscono la formulazione del modello.

Il programma consente di selezionare tramite un indice numerico il fluido criogenico che scorre in convezione forzata nel condotto rappresentativo del criostato del cavo superconduttore, quindi i calcoli sono eseguibili per qualunque fluido criogenico. I valori di tutte le proprietà termodinamiche e termofisiche di ciascun fluido sono calcolabili come detto in precedenza con funzioni completamente integrate nel software che sono identiche come formulazione analitica per tutti i fluidi, ma vengono indirizzate, tramite l’indice del fluido, ad impiegare al proprio interno il corretto insieme di coefficienti numerici, diversi da fluido a fluido, che caratterizzano il fluido criogenico in uso. Queste funzioni e procedure numeriche per il calcolo delle proprietà termodinamiche dei fluidi criogenici sono state sviluppate, descritte e verificate nell’ambito del Deliverable C.1 D.08 16001669, Senza tale lavoro preliminare non sarebbe stata possibile la realizzazione del programma di simulazione oggetto di questo Deliverable.

Come esempio di utilizzo del software sviluppato e per mostrare le potenzialità del suo impiego nell’analisi della stabilità del comportamento del sistema fluido criogenico-cavo superconduttore, e quindi nello studio delle problematiche di affidabilità e sicurezza dello stesso, sono stati eseguiti calcoli di simulazione relativi al comportamento di elio gassoso e azoto liquido in convezione forzata all’interno di un tipico criostato per cavo superconduttore. Il software di simulazione sviluppato consente di calcolare la distribuzione spaziale lungo il condotto dei valori di tutte le grandezze fisiche e termodinamiche relative al fluido impiegato per la refrigerazione. e di eseguire su tali valori elaborazioni grafiche di vario tipo. I risultati di tutte le simulazioni eseguite sono stati elaborati in forma grafica e presentati nel presente Deliverable.

I grafici inseriti mostrano in generale come con il software sviluppato si possano ottenere indicazioni importanti ai fini della definizione e del corretto dimensionamento della refrigerazione criogenica di un cavo superconduttore e come le simulazioni numeriche consentano di valutare gli effetti sul fluido refrigerante, e quindi sul cavo superconduttore, di scostamenti accidentali o voluti dai valori di progetto delle grandezze caratteristiche del sistema di refrigerazione, del criostato e del cavo stesso.