Fluidodinamica computazionale: cos'è?

La fluidodinamica computazionale (CFD) è l'area di conoscenza che si occupa della simulazione numerica del flusso dei fluidi, del trasferimento di calore e dei fenomeni correlati come le reazioni chimiche, la combustione, l'aeroacustica, ecc. La simulazione CFD nasce dalla combinazione di due discipline: la meccanica dei fluidi e il calcolo numerico. Le equazioni che governano il flusso dei fluidi derivano dalla meccanica dei fluidi e possono essere risolte con diversi metodi numerici.

L'equazione principale risolta tramite la fluidodinamica computazionale è l'equazione di trasporto per la variabile di interesse, rappresentata dal simbolo Φ. L'equazione è mostrata di seguito:

Tutte le equazioni di conservazione risolte in CFD hanno la forma sopra descritta, con quattro termini: il termine temporale, il termine advettivo, il termine diffusivo e il termine di sorgente. Per rappresentare diverse equazioni di conservazione, cambiano solo tre componenti dell'equazione: la variabile Φ , il coefficiente di diffusione Γ e la fonte S.

Ad esempio, per l'equazione di conservazione della massa (o di continuità), la variabile Φ è uguale a 1, il coefficiente di diffusione e la sorgente sono zero. Sebbene la formula sia ampiamente utilizzata per applicazioni nella fluidodinamica computazionale, si può affermare che a tutt'oggi non esiste una soluzione analitica all'equazione suddetta. È quindi necessario riscriverlo algebricamente e risolverlo con un metodo di discretizzazione.

I metodi di discretizzazione più diffusi sono il metodo delle differenze finite, il metodo degli elementi finiti e il metodo dei volumi finiti, quest'ultimo il più utilizzato nella simulazione fluidodinamica computazionale. Con questi metodi, il dominio continuo viene sostituito da un dominio discreto, in cui un insieme di volumi di controllo viene utilizzato per rappresentare il dominio originale, come si può vedere nella figura seguente.

Il dominio viene discretizzato in piccoli volumi e l'equazione algebrica viene risolta per ciascuno di questi elementi

La forma algebrica dell'equazione presentata sopra viene risolta in ciascuno dei volumi di controllo, generando un sistema di equazioni che deve essere risolto numericamente. Queste equazioni sono risolte con il supporto del software Computational Fluid Dynamics, che è in grado di risolvere un'ampia varietà di problemi CFD in modo rapido e accurato. Alla fine del testo si discutono i principali solutori di fluidodinamica computazionale presenti oggi sul mercato.

Come si fa a garantire che la mesh sia in grado di identificare correttamente la fisica del modello?

Il numero di volumi di controllo da utilizzare per l'analisi deve essere stabilito studiando la convergenza delle maglie, cioè analizzando lo stesso caso con maglie di diverso affinamento e confrontando i risultati. Quando il risultato tra due affinamenti della maglia non cambia (o cambia molto poco), si dice che la convergenza della maglia è stata raggiunta.

Una volta generata la mesh, si passa alla configurazione della fisica del modello, delle condizioni al contorno e del solutore. Il sistema di equazioni viene quindi risolto attraverso un processo iterativo fino alla convergenza, ossia quando la variazione dei risultati tra due iterazioni consecutive scende al di sotto di un criterio stabilito dall'utente.

La fase finale è la post-elaborazione, in cui i risultati vengono valutati utilizzando strumenti come vettori, linee di corrente, distribuzioni di colore, piani di taglio, isosuperfici, ecc.

Applicazioni della CFD in ingegneria

La fluidodinamica computazionale è ampiamente utilizzata in diversi segmenti di mercato e supporta la progettazione e la fabbricazione di centinaia di prodotti, dagli aeroplani alle automobili e alle navi, oltre ai più diversi tipi di attrezzature industriali. La fluidodinamica computazionale può essere utilizzata dalla fase concettuale di un progetto, aiutando a determinare la fattibilità e la migliore soluzione di prodotto, fino alla fase di produzione, consentendo di rappresentare vari scenari. Con l'aiuto degli strumenti CFD è possibile:

• Simulare la diffusione e la convezione di sostanze fluide in ambienti diversi.
• Effettuare la pianificazione e la gestione delle risorse idriche
• Analisi dell'aerodinamica e dell'aerotermodinamica dei veicoli
• Valutazione del raffreddamento di apparecchiature come reattori nucleari, motori, ecc.
• Effettuare studi per caratterizzare l'inquinamento ambientale, disperdere i gas, analizzare e simulare il rilascio di inquinanti e contaminanti nelle correnti d'acqua
• Simulazione dell'idrodinamica e dell'emodinamica
• Collaudo e sviluppo di progetti di sistemi di propulsione e generazione di energia in generale
• Software di fluidodinamica computazionale

Oggi esistono diversi strumenti che aiutano i professionisti dell'ingegneria a eseguire analisi fluidodinamiche computazionali. Alcuni sono pacchetti multifisici che combina la simulazione di proprietà meccaniche, termiche, elettriche e fluidomeccaniche in un'unica interfaccia e consente di sviluppare un progetto completo, dalla progettazione alla simulazione e all'analisi dei risultati.

Tuttavia, esistono anche strumenti che si concentrano esclusivamente sulle soluzioni CFD, come i software Ansys Fluent e Ansys CFX. Questi due strumenti consentono di effettuare diverse analisi CFD, come turbolenza, trasferimento di calore, reazioni chimiche, aeroacustica, turbomacchine, modellazione di flussi fluidi, ecc.

Vogliamo aiutarti a risolvere le tue sfide di simulazione fluidodinamica: parla con un esperto. 

La fluidodinamica computazionale (CFD) è l'area di conoscenza che si occupa della simulazione numerica del flusso dei fluidi, del trasferimento di calore e dei fenomeni correlati come le reazioni chimiche, la combustione, l'aeroacustica, ecc. La CFD nasce dalla combinazione di due discipline: la meccanica dei fluidi e il calcolo numerico. Le equazioni che governano il flusso dei fluidi derivano dalla meccanica dei fluidi e possono essere risolte con diversi metodi numerici.
L'equazione principale risolta tramite la fluidodinamica computazionale è l'equazione di trasporto per la variabile di interesse, rappresentata dal simbolo Φ. L'equazione è mostrata di seguito:

Tempo / Advettivo / Diffusivo / Sorgente
Tutte le equazioni di conservazione risolte in CFD hanno la forma sopra descritta, con quattro termini: il termine temporale, il termine advettivo, il termine diffusivo e il termine di sorgente. Per rappresentare diverse equazioni di conservazione, cambiano solo tre componenti dell'equazione: la variabile Φ , il coefficiente di diffusione Γ e la fonte S.
Ad esempio, per l'equazione di conservazione della massa (o di continuità), la variabile Φ è uguale a 1, il coefficiente di diffusione e la sorgente sono zero. Sebbene la formula sia ampiamente utilizzata per applicazioni nella fluidodinamica computazionale, si può affermare che a tutt'oggi non esiste una soluzione analitica all'equazione suddetta. È quindi necessario riscriverlo algebricamente e risolverlo con un metodo di discretizzazione.
I metodi di discretizzazione più diffusi sono il metodo delle differenze finite, il metodo degli elementi finiti e il metodo dei volumi finiti, quest'ultimo il più utilizzato nella CFD. Con questi metodi, il dominio continuo viene sostituito da un dominio discreto, in cui un insieme di volumi di controllo viene utilizzato per rappresentare il dominio originale, come si può vedere nella figura seguente.
(volume di controllo)
Il dominio viene discretizzato in piccoli volumi e l'equazione algebrica viene risolta per ciascuno di questi elementi
La forma algebrica dell'equazione presentata sopra viene risolta in ciascuno dei volumi di controllo, generando un sistema di equazioni che deve essere risolto numericamente. Queste equazioni sono risolte con il supporto del software Computational Fluid Dynamics, che è in grado di risolvere un'ampia varietà di problemi CFD in modo rapido e accurato. Alla fine del testo si discutono i principali solutori di fluidodinamica computazionale presenti oggi sul mercato.
Come si fa a garantire che la mesh sia in grado di identificare correttamente la fisica del modello?
Il numero di volumi di controllo da utilizzare per l'analisi deve essere stabilito studiando la convergenza delle maglie, cioè analizzando lo stesso caso con maglie di diverso affinamento e confrontando i risultati. Quando il risultato tra due affinamenti della maglia non cambia (o cambia molto poco), si dice che la convergenza della maglia è stata raggiunta.
Una volta generata la mesh, si passa alla configurazione della fisica del modello, delle condizioni al contorno e del solutore. Il sistema di equazioni viene quindi risolto attraverso un processo iterativo fino alla convergenza, ossia quando la variazione dei risultati tra due iterazioni consecutive scende al di sotto di un criterio stabilito dall'utente.
La fase finale è la post-elaborazione, in cui i risultati vengono valutati utilizzando strumenti come vettori, linee di corrente, distribuzioni di colore, piani di taglio, isosuperfici, ecc.
Applicazioni della CFD in ingegneria
La fluidodinamica computazionale è ampiamente utilizzata in diversi segmenti di mercato e supporta la progettazione e la fabbricazione di centinaia di prodotti, dagli aeroplani alle automobili e alle navi, oltre ai più diversi tipi di attrezzature industriali. La fluidodinamica computazionale può essere utilizzata dalla fase concettuale di un progetto, aiutando a determinare la fattibilità e la migliore soluzione di prodotto, fino alla fase di produzione, consentendo di rappresentare vari scenari. Con l'aiuto degli strumenti CFD è possibile:
Simulare la diffusione e la convezione di sostanze fluide in ambienti diversi.
Effettuare la pianificazione e la gestione delle risorse idriche
Analisi dell'aerodinamica e dell'aerotermodinamica dei veicoli
Valutazione del raffreddamento di apparecchiature come reattori nucleari, motori, ecc.
Effettuare studi per caratterizzare l'inquinamento ambientale, disperdere i gas, analizzare e simulare il rilascio di inquinanti e contaminanti nelle correnti d'acqua.
Simulazione dell'idrodinamica e dell'emodinamica
Collaudo e sviluppo di progetti di sistemi di propulsione e generazione di energia in generale
Software di fluidodinamica computazionale
Oggi esistono diversi strumenti che aiutano i professionisti dell'ingegneria a eseguire analisi fluidodinamiche computazionali. Alcuni sono pacchetti multifisici, come Ansys AIM, che combina la simulazione di proprietà meccaniche, termiche, elettriche e fluidomeccaniche in un'unica interfaccia e consente di sviluppare un progetto completo, dalla progettazione alla simulazione e all'analisi dei risultati.
Tuttavia, esistono anche strumenti che si concentrano esclusivamente sulle soluzioni CFD, come i software Ansys Fluent e Ansys CFX. Questi due strumenti consentono di effettuare diverse analisi CFD, come turbolenza, trasferimento di calore, reazioni chimiche, aeroacustica, turbomacchine, modellazione di flussi fluidi, ecc.