CFD: come utilizzare la simulazione per risolvere problemi legati a fenomeni fluidodinamici

Scopriamo la simulazione fluidodinamica

Cos’è la simulazione CFD? La fluidodinamica computazionale (CFD Computational Fluid Dynamics) è uno strumento di calcolo utilizzato per analizzare complessi fenomeni fluidodinamici. Rientra in tutti quei strumenti che appartengono al mondo CAE (Computer-Aided Engineering) e risulta utile ogni volta che si renda necessario analizzare e visualizzare problemi di flusso di fluidi (liquidi o gassosi).  Un grande vantaggio della CFD risiede nella possibilità di risolvere in contemporanea altre fisiche come ad esempio lo scambio termico.

Come funziona la fluidodinamica computazionale?

Attraverso il calcolo numerico ed alcuni algoritmi, la CFD consente di analizzare e risolvere quei problemi complessi legati al flusso di fluidi che i metodi analitici e sperimentali non sarebbero in grado di fare.

I software CFD rappresentano l’equivalente virtuale di una galleria del vento e ne superano tutti i limiti. Permettono infatti di riprodurre a pc oggetti di grandi dimensioni, elevate temperature e pressioni che per essere studiate sperimentalmente richiederebbero un dispendio di risorse proibitivo.

Il calcolo computazionale fluidodinamico si basa sulle equazioni di Navier-Stokes che consentono di studiare il comportamento macroscopico di un fluido in movimento.

Per semplificare al massimo la teoria, possiamo considerare le seguenti equazioni come base per ogni tipo di calcolo CFD:

• equazione scalare che descrive la conservazione della massa;
• equazione vettoriale che è il bilancio della quantità di moto (la seconda legge di Newton).

Come già anticipato, il grande vantaggio della CFD  è quello di permette di integrare altre fisiche che possono essere risolte congiuntamente. Per esempio, nel caso si voglia risolvere anche un problema di scambio termico, risulta necessario integrare con:

• equazione scalare che esprime il principio di conservazione dell’energia.

Fonte: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

I vantaggi dell’analisi CFD

Avvalersi del supporto dell’analisi CFD fin dalle prime fasi del processo di progettazione è la soluzione migliore per assicurare di ottenere la migliore configurazione possibile.  Consente sia di studiare un fenomeno e le sue ripercussioni fisiche ancora prima di avere costruito un prototipo, così come di testare miglioramenti e prendere in considerazione configurazioni diverse del progetto prima che si avvii la fase di produzione.

Viene in soccorso però anche in tutti quei casi in cui sia  necessario verificare i livelli di performance di un prodotto già esistente  durante sue fasi di impiego.

Per riassumere, possiamo dire che i principali vantaggi della simulazione CFD sono:

• valutazione preliminare di un progetto;
• sviluppo di configurazioni diverse di un prodotto;
• analisi di fenomeni di difficile misurazione;
• ottimizzazione di prodotti e materiali;
• riduzione dei costi di progettazione;
• riduzione dei costi di realizzazione.

Integrando questo tipo di analisi con altre (per esempio di tipo strutturale) è poi possibile ottenere valutazioni di efficienza di livello superiore.

Per quali settori è utile l’analisi CFD?

La fluidodinamica viene applicata ad un’ampia gamma di problemi di ricerca e di ingegneria in molti settori e campi di studio.

Negli anni, l’abbiamo utilizzata in molti campi industriali per risolvere problematiche di vario tipo:

• Settore navale: design dell’elica, analisi della ventilazione, saving energetico e di carburanti.
• Settore automotive: surriscaldamento del motore, climatizzazione dell’abitacolo, aerodinamica del veicolo.
• Settore trasporti: miglioramento dell’impianto di circolazione dell’aria (pensiamo alle gallerie stradali).
• Settore energetico: studio di turbine, ventole di aereazione, pompe.
• Settore industriale: surriscaldamento o raffreddamento di macchinari, circolazione di fluidi, analisi sulla qualità dell’aria.

Spesso la simulazione fluidodinamica ha permesso di rispondere a domande che i clienti si ponevano da tempo, ma che con i metodi tradizionali di misura e analisi non erano riusciti a risolvere.

In un mercato dove i prodotti diventano sempre più complessi e le logiche di prezzo spingono costantemente al ribasso, cosa può davvero fare la differenza nel lavoro di un progettista? Avere a disposizione degli strumenti di simulazione che gli consentano di ottimizzare ogni fase di lavoro e di produzione.

Perchè un ingegnere SAECON può fare la differenza nel tuo progetto?

Forse nel tuo ufficio ci sono già ingegneri qualificati e in grado di utilizzare software di simulazione. Sai però cosa può fare davvero la differenza?

• L’esperienza.
• Il metodo.
• La validazione dei calcoli.

All’interno di SAECON, l’area Engineering lavora quotidianamente su progetti CFD, applicati a molteplici ambiti. Questo ci consente di avere alle spalle un vasto bagaglio di case study a cui attingere. Proprio questo tipo di esperienza ci ha permesso di sviluppare una metodologia di lavoro il più efficiente ed efficace possibile, al fine di proporre al cliente il tipo di analisi migliore per l’obiettivo che si vuole raggiungere, senza dispersioni di tempo e, soprattutto, di costi.

Infine, ma non meno importante, la validazione dei calcoli. Ottenere risultati da un software potrebbe essere accessibile a molti. Analizzare e comprendere il significato di quei dati, studiare modifiche e nuove soluzioni, validare la proposta, non è invece scontato. E questo ci riporta al punto di partenza: esperienza e metodo.

Curiosità

Sai qual è stata una delle prime applicazioni della fluidodinamica computazionale?

Parliamo degli anni Cinquanta. Una delle prime applicazioni in cui l’uso della CFD è risultato fondamentale è il settore delle previsioni meteorologiche. Il supporto della simulazione attraverso pc ha consentito infatti di studiare fenomeni di enormi dimensioni che fino a quel momento erano solo osservabili e calcolabili in maniera imprecisa.

In questa immagine (presa dal sito www.ilmeteo.it) viene rappresentato El Nino, la corrente di acqua calda che interesse nel periodo invernale l’oceano Pacifico, nel periodo della massima potenza. La simulazione CFD consente di studiare fenomeni legati alla propagazione del calore. Per questo una delle sue applicazioni è legata anche allo studio della propagazione del fuoco in spazi chiusi per valutare gli effetti di esplosioni e incendi.

INDICE DEI CONTENUTI

• • Scopriamo la simulazione fluidodinamica
  • Come funziona la fluidodinamica computazionale?
  • I vantaggi del metodo CFD
  • Per quali settori è utile l’analisi CFD?
  • Perchè un ingegnere SAECON può fare la differenza nel tuo progetto?
  • Curiosità – Qual è stata una delle prime applicazioni della fluidodinamica computazionale?