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Fluidodinamica computazionale (CFD): applicazioni comuni e software

Una panoramica tra le applicazioni più comuni e i software principali nell'ambito della CFD - computational fluid-dynamics per le analisi fluidodinamiche

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La progettazione ha subito e sta subentro un continuo cambiamento in anni recenti. Ci si sta muovendo da una tecnica di progettazione analitica, basata su formule algebriche che descrivono la realtà fisica, ad una basata su ambienti di simulazione virtuale. La più semplice applicazione nel campo dell’ingegneria meccanica riguarda la modellazione solida: sono oramai abbandonati i disegni bidimensionali su carta; molto più semplice e chiaro utilizzare un software CAD e realizzare un modello virtuale di quanto si voglia costruire.

Gli ambienti di simulazione si stanno ora spingendo addirittura oltre: non vi è ragione per fermarsi al solo modello solido virtuale quando è possibile proseguire con un vero e proprio laboratorio virtuale dove testare le prestazioni meccaniche dell’oggetto. Ecco quindi i software FEM (finite element method) per le analisi strutturali e CFD (computational fluid-dynamics) per le analisi fluidodinamiche. In questo articolo approfondiamo alcune applicazioni della CFD. Per un focus sull’analisi FEM, leggi questo articolo.

Applicazioni della CFD
I software CFD rappresentano l’equivalente virtuale di una galleria del vento. Si tratta quindi di ambienti di simulazione, ambienti che riescono a riprodurre le leggi fisiche dei fluidi, sia questi liquidi o gassosi. Tali software permettono al progettista di avere informazioni fondamentali che lo possono assistere nel delicato processo di progettazione. Il più grande vantaggio che software di questo tipo hanno rispetto alla galleria del vento fisica è la possibilità di simulare condizioni estreme: oggetti di dimensione elevata, temperature e pressioni estremamente alte non sono un problema e possono essere facilmente simulate. Come vedremo negli esempi applicativi riportati qui sotto, la flessibilità e i campi di applicazioni delle soluzioni CFD più moderne sono ormai illimitati.

Meteo
La prima applicazione in cui l’uso della CFD è risultata fondamentale riguarda le previsioni meteo. A partire dagli anni ‘50 si è infatti sviluppata una branca particolare dedicata ad un tipo di analisi fluidodinamiche di enormi dimensioni. Si tratta ovviamente di simulazioni che richiedono enorme potenza computazionale, quali supercomputer.

Meteo

Le previsioni meteo sono il primo e più antico campo di applicazione dello studio fluidodinamico. Sin da sempre la conoscenza del meteo che verrà ha rappresentato una sfida con ricadute in numerosi campi (economici, strategici e sociali).

Antincendio
Il recente Codice di Prevenzione Incendi, emanato attraverso D.M. 3 agosto 2015, ha introdotto l’uso degli strumenti di simulazione CFD all’interno dei metodi accettati nella progettazione antincendio. Si tratta di un passo in avanti notevole che mostra come anche enti pubblici quali i VVFF si stiano aprendo a questa rivoluzione tecnologica. Ecco quindi un altro ambito di estremo interesse per i progettisti in ambito civile. Attraverso una simulazione CFD è infatti immediato studiare, ad esempio, la ventilazione forzata all’interno di una rimessa interrata, studiando nel dettaglio la movimentazione dell’aria e quindi le concentrazioni di CO all’interno della rimessa.

Antincendio

Esempio di movimentazione di aria all’interno di una rimessa interrata. L’impianto di ventilazione ha lo scopo di smaltire i gas di scarico delle autovetture oltre che di garantire la visibilità all’interno della rimessa in caso di incendio.

Idraulica
Uno dei campi più comuni di applicazione delle tematiche CFD riguarda le turbomacchine, ed in particolare le pompe idrauliche. Le recenti direttive ErP di efficienza energetica hanno infatti imposto il raggiungimento di obiettivi sempre più elevati per quanto riguarda la progettazione idraulica. In particolare la direttiva n. 547/2012 ha previsto un continuo miglioramento del coefficiente di efficienza energetica delle pompe idrauliche MEI nel corso degli anni passati. Ecco quindi che la progettazione tramite simulazioni CFD è il modo migliore per poter effettuare numerosi test in maniera veloce ed economica.

Idraulica 1

Esempio di mesh – griglia di calcolo – realizzata su uno spicchio di pompa centrifuga. Proprio in fase di progettazione di turbomacchine la CFD riesce ad essere uno strumento essenziale per il progettista, riducendo i costi e i tempi di sviluppo per la realizzazione di apparati sempre più efficienti.

Idraulica 2

Esempio di mesh – griglia di calcolo – realizzata su uno spicchio di pompa centrifuga. Proprio in fase di progettazione di turbomacchine la CFD riesce ad essere uno strumento essenziale per il progettista, riducendo i costi e i tempi di sviluppo per la realizzazione di apparati sempre più efficienti.

Energia e scambio termico
Una ulteriore vasta gamma di applicazione è il mondo dello scambio termico. Si tratta di studiare strumenti e macchine dedicate a favorire il passaggio di calore da un fluido a temperatura più elevata ad uno a temperatura inferiore. Sebbene non ci pensiamo mai, il nostro mondo è circondato da strumenti per lo scambio termico: la caldaia di casa nostra ed il radiatore dell’auto sono solamente due ricorrenze molto comuni. Ecco quindi l’importanza per un progettista di migliorare il processo fisico con cui avviene lo scambio termico, ed ecco l’importanza della CFD come ambiente di studio della configurazione geometrica degli scambiatori stessi.

Energia e scambio termico

Il mondo degli scambiatori di calore è una ulteriore forma di applicazione delle simulazioni fluidodinamiche CFD. In questa immagine l’esempio di uno scambiatore a fascio tubiero in cui il fluido viene riscaldato dal passaggio all’interno.

Come e dove iniziare
Le applicazioni CFD attualmente disponibili sul mercato sono innumerevoli. Si va da software commerciali, già ampiamente utilizzati sul mercato (FLUENT), dall’usabilità estremamente elevata. Accanto ad essi si è sviluppata una serie di software open-source, gratuiti per gli utilizzatori ma, generalmente, molto complessi da utilizzare (OpenFOAM). Una ulteriore soluzione, che permette di accedere al mondo della simulazione in maniera veloce ed economica è l’utilizzo di strumenti cloud (CONSELF), che garantiscono l’usabilità dei software commerciali e l’economicità di quelli open-source.

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