Tutto quello che si può fare con la simulazione fluidodinamica

La fluidodinamica computazionale (CFD) è la branca della meccanica dei fluidi che utilizza i metodi di analisi numerica per poter risolvere i problemi che prevedono la presenza di fluidi e la loro interazione con l’ambiente circostante.

La simulazione fluidodinamica (in inglese CFD - Computational Fluid Dynamics) permette di simulare il comportamento dei fluidi sia liquidi che gassosi tramite l’analisi numerica e l’utilizzo di algoritmi implementati in un software di calcolo. La CFD viene usata, in diversi settori di mercato come: automotive, aerospace, oil & gas, energetico, chimico-farmaceutico, HVAC, ventilazione, elettrodomestici, food&beverage, sistemi di raffreddamento per l’elettronica, ed altri ancora.

Oltre alle applicazioni industriali classiche le analisi CFD permettono di simulare scenari inusuali e complessi come lo tsunami, fenomeni metereologici o impatti ambientali. Nel caso in cui la potenza di calcolo richiesta per questo tipo di analisi possa diventare consistente, ci si avvale dell’utilizzo di cluster di calcolo o supercomputer.

In questo articolo faremo un breve riassunto dei diversi settori di mercato dove è possibile applicare la simulazione fluidodinamica, presentando cosa è possibile fare con le attuali tecnologie e qual’è il know-how accumulato negli anni dai nostri tecnici.

I campi principali nelle quali si esprimono le competenze sono Aerospace & Defence, Automotive, Energy, Healthcare, Industrial Equipment, Materials.

Aerospace & Defence

In questo particolare settore spesso gli ingegneri devono risolvere problematiche legate all’aerodinamica esterna e termica, ai flussi che investono i velivoli o i dispositivi, che possono andare da regimi subsonici, fino agli ipersonici.

La storia ci insegna come il miglioramento aerodinamico ha portato a straordinari risultati in termini di consumi, velocità e anche estetica. Non a caso, una delle sfide ingegneristiche da sempre attiva è ridurre al minimo la resistenza del veicolo (drag) per migliorare il risparmio di carburante. Questo tema è sempre più importante, soprattutto per soddisfare le esigenti normative messe in campo per il contrasto dell’inquinamento.

Altro campo di applicazione in questo settore, è la CFD applicata ai sistemi HVAC (Heat Ventilation and Air Cooling) per la climatizzazione degli ambienti interni ed il trattamento dell’aria. La recente pandemia di COVID-19 è stata devastante soprattutto per persone e aziende che si trovano ad affrontare forti restrizioni, paure di contagio impellenti e rischi biologici non più sottovalutabili

In questo scenario la simulazione fluidodinamica può dare un contributo importante partendo dalle metodologie sviluppate per questo settore e risultare fondamentale per la comprensione di come gestire il trattamento dell’aria in luoghi di lavoro comuni e locali di produzione chiusi.

Nel campo della propulsione, la simulazione CFD è un grande supporto nella caratterizzazione dei parametri che influiscono sulla performance di un motore.

Le metodologie numeriche sono anche un aiuto nella modellazione di ambienti interni, di sistemi missilistici e aeronautici, oltre ai diversi punti riportati sotto:

• Aerodinamica esterna e termica: simulazione di fluidodinamica attorno ad oggetti con effetto della temperatura;
• Flussi subsonici, supersonici e ipersonici: simulazione di diversi regimi con identificazione di onde d’urto se presenti;
• Propulsione: modellazione di motori aeronautici con caratterizzazione combustione ed inquinanti, spray, reazioni chimiche, filtri;
• Ambienti interni: modellazione HVAC di ambienti interni di aerei, navi, container, etc.
• Missilistica: simulazione lancio di missili/siluri/proiettili ed impatto termico;
• Sistemi aeronautici: simulazione di sistemi antighiaccio, scambiatori di calore, sistemi carburante;

Automotive

Nel settore Automotive, tra i diversi campi di applicazione, le simulazioni della combustione si mostrano idonee per una corretta caratterizzazione dei fenomeni chimici permettendo di arrivare a trovare soluzioni innovative per il continuo sviluppo di motori avanzati e sempre meno inquinanti.

I software attuali permettono di simulare completamente la cinetica chimica dei carburanti ed identificare con precisione la concentrazione delle complesse sostanze chimiche prodotte. La fluidodinamica computazionale permette di avere un’accurata caratterizzazione dei fenomeni critici di combustione come l'accensione, la propagazione del fronte di fiamma e la formazione di inquinanti. Ma la CFD viene anche utilizzata per ottimizzare l’aerodinamica che caratterizzerà anche la forma. Considerando i nuovi trend motoristici la fluidodinamica permette di modellare anche motori elettrici e pacchi batterie. A tutte queste applicazioni è possibile approcciarsi anche con un’ottica di sistema.

• Aerodinamica esterna: simulazione fluidodinamica attorno ad oggetti con calcolo della resistenza di forma;
• Motori elettrici: simulazione di sistemi di raffreddamento ad aria o liquido;
• Batterie: modellazione riscaldamento per effetto joule, raffreddamento e scarica;
• Motori endotermici: simulazione della combustione interna, inquinanti, spray, catalizzatori;
• Analisi di sistema: modellazione 1D di circuiti di raffreddamento/riscaldamento;

Energy

Nel settore Energy la simulazione fluidodinamica permette di indagare sul comportamento dei grandi impianti dell’Oil&Gas. Grazie all’impiego di avanzate tecniche numeriche è possibile simulare turbine eoliche, impianti solari, idroelettrici. Tutte queste tecnologie si possono simulare tramite analisi di sistema.

• Oil&Gas: simulazione di flussi multifase di diversa morfologia (discreta o continua) con passaggi di stato
• Turbine eoliche: modellazione pale e interazione con vento
• Impianti solari: modellazione interazione con vento
• Idroelettrico: modellazione turbine e ottimizzazione
• Analisi di sistema: modellazione 1D di reti fluidodinamiche con controllori

Healthcare

Nel settore Healthcare la fluidodinamica computazionale è un prezioso supporto per progettare tutti i dispositivi e le attrezzature che richiedono precisione e standard normativi specifici per la salute umana.

• Dispositivi respiratori: interazione parti mobili con parti stazionarie
• Ossigenatori: dispositivi per ossigenare il sangue per pazienti

Industrial Equipment

Questo variegato settore trae vantaggio dall’utilizzo dell’analisi fluidodinamica per diversi aspetti. 

Nelle turbomacchine, uno degli strumenti decisivi con cui gli ingegneri possono progettare i nuovi prodotti sono le soluzioni che la simulazione numerica offre . Esistono infatti software che garantiscono un’elevata precisione, simulando tutte le fisiche avanzate, compresi i modelli numerici sviluppati appositamente per le applicazioni di turbomacchine. Alcuni esempi sono i modelli di turbolenza, o la possibilità di simulare l’interfaccia statore-rotore o la possibilità di condurre analisi transitorie sulla palettatura.

Esistono svariate soluzioni e metodi per approcciare i problemi ingegneristici. Una tecnica molto efficace, già sfruttata da tutti i principali produttori di scambiatori di calore, è quella di affidarsi alla simulazione numerica. La  simulazione CFD e la simulazione termo-strutturale permettono di ottimizzare tutto il processo di sviluppo prodotto con enormi vantaggi in termini di risparmio sui costi e tempi.

Nella progettazione di valvole, le principali sfide che i tecnici incontrano sono il saper bilanciare la caduta di pressione a fronte di un efficace coefficiente di flusso (KV o CV). La  progettazione di una valvola può essere un processo lungo e costoso, dove può diventare difficile ottenere una chiara comprensione della complessa fluidodinamica utilizzando solo metodi di test fisici convenzionali. Per tale motivo diventa fondamentale l’utilizzo di una metodologia CFD.

• Turbine a gas: validazione design e ottimizzazione
• Turbomacchine (pompe, ventole): validazione design e ottimizzazione
• HVAC e scambiatori di calore: validazione design e ottimizzazione
• Valvole e sistemi di controllo: validazione design e ottimizzazione

Materials

Nel settore dei materiali, richiede particolare attenzione lo studio degli spray. Gli utilizzi dell'atomizzazione di liquidi, nel gergo comune “spray”, sono innumerevoli: combustione, scienze dei materiali, agricoltura, medicina, trattamenti termici, lavorazioni meccaniche, ecc. Per questa ragione la richiesta di comprensione e miglioramento delle prestazioni degli ugelli è notevole.

 La simulazione di tale fenomeno richiede un approccio multifase con la presenza di una fase continua (gas) ed una dispersa (gocce liquide). La conoscenza delle caratteristiche della fase dispersa non sempre risulta disponibile al progettista che può tuttavia beneficiare dell’ausilio di algoritmi implementati negli strumenti software di simulazione per caratterizzarne le proprietà (diametri, velocità).

• Serbatoi di mescolamento (mixer): mescolamento di fluidi diversi
• Spray dryer solido/liquido: iniezione di spray in ambienti controllati per produzione di materiale solido
• Erosione: trasporto di particelle solide dentro piping che generano erosione nel tempo
• Riduzione emissioni particolato inquinante: modellazione trasporto particolato inquinante da scarichi/ciminiere

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