Analisi delle perdite di carico in manifold idraulici: proposta e validazione di una nuova formulazione semi-empirica per i gomiti a spigolo vivo

Accurate prediction of localized pressure losses is an important aspect in the design of hydraulic manifolds, where internal flow passages are commonly produced by cross-drilling and therefore often include sharp 90° turns. These geometries are characterized by abrupt changes in flow direction, flow separation, recirculation regions and strong pressure gradients, which may lead to significant discrepancies between classical literature correlations and the actual behavior of real components. This work combines experimental testing, empirical modeling and three-dimensional CFD analysis to characterize the pressure losses associated with such flow singularities. An experimental campaign was carried out on different flow paths belonging to two hydraulic manifolds over a range of operating conditions. The resulting data were used to evaluate pressure drop and loss coefficient as functions of flow rate, fluid properties and Reynolds number. Based on the experimental results, a new empirical correlation for pressure-loss prediction was developed and subsequently implemented in the SmartFluidPower library within the OpenModelica environment. Its predictive performance was compared with the correlations proposed by Idel’chik and by Al-Tameemi & Ricco. Across the investigated operating conditions, the proposed correlation showed a closer agreement with the experimental data, with an average deviation of approximately 6%. In parallel, three-dimensional CFD models were developed in OpenFOAM. Their numerical reliability was assessed through convergence monitoring, mesh-quality checks and a grid-sensitivity study. The CFD predictions were then compared with the experimental measurements, showing an average deviation of approximately 11%. The numerical results were also used to investigate the internal velocity and pressure fields and to provide a physical interpretation of the mechanisms responsible for the localized losses. The overall comparison among experimental measurements, the proposed empirical correlation, literature-based models and CFD simulations provides a comprehensive assessment of the different approaches for predicting pressure losses in sharp-edged elbows typical of hydraulic manifolds, while also highlighting the limitations of classical correlations when applied to real integrated hydraulic geometries.

La previsione delle perdite di carico localizzate costituisce un aspetto rilevante nella progettazione dei manifold oleodinamici, nei quali la realizzazione dei canali mediante forature incrociate determina frequentemente la presenza di deviazioni a 90° a spigolo vivo. Per tali geometrie, caratterizzate da brusche variazioni della direzione del flusso, separazione della corrente e formazione di zone di ricircolo, le correlazioni disponibili in letteratura possono presentare scostamenti significativi rispetto al comportamento dei componenti reali. Il presente lavoro propone una caratterizzazione sperimentale, modellistica e numerica delle perdite di carico associate a tali singolarità. La campagna sperimentale, condotta su differenti percorsi appartenenti a due manifold oleodinamici e in diverse condizioni operative, ha consentito di determinare la caduta di pressione e il relativo coefficiente di perdita al variare della portata, delle proprietà del fluido e del numero di Reynolds. A partire dai risultati sperimentali è stata sviluppata una nuova formulazione empirica per la previsione delle perdite di carico, successivamente implementata nella libreria SmartFluidPower in ambiente OpenModelica. Le prestazioni della formulazione proposta sono state confrontate con quelle delle correlazioni di Idel'chik e Al-Tameemi & Ricco, evidenziando complessivamente una migliore capacità di riprodurre i dati sperimentali nelle condizioni investigate. Nell'intero insieme dei casi analizzati, la nuova formulazione presenta uno scostamento medio dell'ordine del 6% rispetto ai valori sperimentali. Parallelamente sono stati sviluppati modelli CFD tridimensionali mediante OpenFOAM. L'affidabilità numerica delle simulazioni è stata verificata attraverso il controllo della convergenza, della qualità della mesh e della sensibilità della soluzione al raffinamento della griglia. I risultati CFD sono stati quindi confrontati con i dati sperimentali, mostrando complessivamente uno scostamento medio dell'ordine dell'11%, e sono stati utilizzati per analizzare i campi di velocità e pressione e interpretare i fenomeni fluidodinamici responsabili delle perdite localizzate. Il confronto complessivo tra dati sperimentali, nuova formulazione, correlazioni di letteratura e simulazioni CFD permette infine di valutare l'efficacia dei diversi approcci nella previsione delle perdite di carico nei gomiti a spigolo vivo tipici dei manifold oleodinamici e di evidenziare i limiti delle formulazioni classiche quando applicate a geometrie reali di circuiti integrati.