Una nuova freccia per l’arco del progettista: la simulazione termica real time

La valutazione del comportamento termico di un oggetto non è così frequente quanto un’analisi strutturale o fluidodinamica, tuttavia si dimostra altrettanto utile. Molto spesso, infatti, l’analisi termica, anche associata a queste fisiche, permette di comprendere le temperature operative di un componente, l’influenza di una sorgente di energia e molto altro.

Lo svolgimento di un’analisi termica ha come grandezza in output la temperatura in ogni punto del sistema, a partire da questa vengono valutati elementi come flussi di calore, gradienti e flussi entalpici.  Conoscere queste grandezze può rivelarsi fondamentale per il corretto sviluppo di un nuovo prodotto.

La trasmissione del calore e la simulazione termica

Lo studio della trasmissione del calore fa riferimento a tre modalità e quindi a tre possibili contributi:

• Conduzione: è conseguenza del contatto tra le particelle, a livello macroscopico, possiamo dire che corrisponde al trasferimento di calore da una zona calda di un corpo verso una zona più fredda o tra due corpi a temperature differenti posti a contatto tra loro.
  
  
• Convezione: entra in campo quando il sistema che viene studiato include anche delle componenti fluide (inclusa l’aria circostante). In questo caso, infatti, il cambiamento di densità delle parti di fluido a contatto con zone a temperatura maggiore determina i moti convettivi contribuendo alla trasmissione del calore.
  
  
• Irraggiamento: questo è il fenomeno che consente all’essere umano di godere di una bella giornata di sole; consiste nella propagazione del calore attraverso onde elettromagnetiche e l’entità del suo contributo è proporzionale alla potenza IV della temperatura, per questo motivo diventa importante tenerne conto quando le temperature raggiungono valori medio alti.

Da un punto di vista computazionale, per svolgere un’analisi puramente termica è sufficiente lavorare con un solo grado di libertà: la temperatura. Questa informazione viene poi rielaborata per determinare tutte le grandezze d’interesse relative all’analisi.

Questo tipo di calcolo può; essere applicato a numerose casistiche: dallo studio di sistemi HVAC alla valutazione dei cicli termici di riscaldamento e raffreddamento degli stampi, passando per la dissipazione del calore nei sistemi di illuminazione a incandescenza e a LED.

Quando è necessaria un’indagine sulle dilatazioni, le deformazioni o le sollecitazioni di un corpo vincolato strutturalmente e caricato termicamente allora si deve eseguire una simulazione di tipo termo-strutturale. Il workflow standard di una simulazione termo-strutturale può essere riassunto così:

In primo luogo si svolge l’analisi termica, operativamente, il corpo viene vincolato e caricato termicamente definendo:

• le proprietà termiche dei materiali;
• temperature note (temperatura ambiente, valore di temperatura iniziale, ..), sorgenti termiche;
• condizioni di scambio termico del sistema.

La risoluzione può essere di tipo statico o transitorio (in funzione del tempo) ed il risultato è una mappatura delle temperature (ed eventualmente delle altre grandezze di interesse definite dall’analista) sul sistema. Questa mappa viene utilizzata come input per calcolare deformazioni o sollecitazioni indotte sul sistema caricato sia termicamente (con la mappa ricavata allo step precedente) sia staticamente.

Lo svolgimento di questo tipo di analisi accoppiate può sembrare ovvio tanto che spesso si confonde la termica con la termo-strutturale. Rispetto ad un’analisi termica pura, le deformazioni indotte dalla presenza di un carico termico influenzano l’effetto dello stesso carico sul corpo, con conseguenze anche sull’approccio analitico da adottare.

In questo caso si dovrà svolgere una analisi accoppiata Two-Way in cui ad ogni step si deve tenere conto di come una fisica influisca sull’altra. E questo tipo di precisazione vale per tutte le combinazioni fisiche possibili, come ad esempio le analisi termo-strutturali, termo-fluidodinamiche e termo-elettriche.

La simulazione termica real time : limiti e potenzialità

Le informazioni che vengono restituite da questo tipo di simulazioni sono molto importanti per investigare la risposta fisica ed il comportamento generale di un nuovo prodotto. Infatti, a temperature differenti è possibile riscontrare un decadimento delle proprietà meccaniche del materiale, oppure dilatazioni termiche impreviste potrebbero creare interferenze tra alcune parti del prodotto.

Un’impostazione dettagliata dei carichi e dei vincoli termici garantisce un risultato più accurato, richiede tuttavia molto tempo, altre ad una conoscenza trasversale approfondita delle diverse fisiche coinvolte e delle possibili problematiche computazionali.

In fase di progettazione, quando vengono svolte le valutazioni sulla fattibilità di un nuovo prodotto, questi passaggi risultano molto impegnativi, sia in termini di tempo (simulazioni dettagliate in questa fase rallentano significativamente la fase di ideazione e sviluppo) che di risorse (in una oggettivamente ancora prematura).

Per avere una risposta immediata e avere un indirizzo preliminare sulla ideazione o la progettazione di un nuovo prodotto si può ricorrere alla simulazione termica real time.

Questo tipo di simulazione è pensato appositamente per indirizzare la fase di design del nuovo prodotto sulla base di considerazioni tecniche ben precise.

Spesso, infatti, i tempi della simulazione CFD o FEM hanno escluso questo strumento dal ventaglio delle opzioni di un progettista. In questa fase non sono necessari risultati precisi al millesimo di grado, ma è sufficiente verificare che le dilatazioni termiche non siano troppo elevate oppure il range di temperatura in cui deve operare il prodotto.

Ancora più frequente è il caso in cui un progettista deve esplorare numerose configurazioni per determinare quale possa effettivamente dissipare calore in maniera più semplice ed efficace.

La simulazione in tempo reale abbatte i tempi di preparazione del modello andando ad applicare le condizioni al contorno direttamente in ambiente CAD, senza modificare o gestire il modello di partenza. Questo rende possibile verificare rapidamente come diversi materiali lavorino a temperature differenti quando esposti allo stesso carico termico oppure se modificando la geometria (come ad esempio lo spessore di un’aletta) o qualsiasi altro parametro sia possibile dissipare calore in modo più efficace.

Se ti interessa scoprire come integrare questa nuova tecnologia all’interno del processo produttivo della vostra azienda contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.