Pompe idrauliche e ventilatori con la simulazione CFD | Ingegneri.info

Pompe idrauliche e ventilatori con la simulazione CFD

Casi pratici di utilizzo della simulazione CFD per modelli di pompe idrauliche e ventilatori alla luce della normativa sull’efficienza energetica ErP

COVER
image_pdf

Da oramai una decade l’Unione Europea ha emanato una serie di direttive con l’obiettivo del risparmio ed efficientamento energetico. Si tratta di regolamenti denominati ErP (Energy Related Products) specifici per tutti i prodotti energivori, ossia quelle tipologie di prodotti che per funzionare consumano energia. Generalmente tali normative hanno imposto ed impongono un graduale aumento dell’efficienza energetica dei nuovi prodotti immessi sul mercato, costringendo professionisti ed aziende alla riprogettazione di componenti e parti al fine di raggiungere i target stabiliti. Senza entrare troppo nello specifico dei singoli regolamenti, si citano il n. 327/2011, che ha definito un aumento biennale dell’efficienza dei ventilatori industriali, ed il n. 547/2012, sostanzialmente equivalente al 327 ma specifico per le pompe idrauliche.

Con l’aumento graduale dell’efficienza energetica per i prodotti imposta da normativa può capitare che un determinato ventilatore (o pompa idraulica) divenga non più commerciabile nel mercato comunitario. Per poter tornare libero è quindi richiesto uno sforzo in termini di ricerca e sviluppo attraverso, ad esempio, la scelta di componenti migliori (quale il passaggio ad un motore elettrico brushless) oppure lo sviluppo di geometrie di palettature più efficienti sia per i ventilatori che per le pompe idrauliche. E’ facile intuire come, percorrendo questa seconda strada, sia necessario un complicato lavoro di test e laboratorio al fine di comprendere meglio le inefficienze presenti e di ridurre al minimo gli sprechi energetici. Ecco che nelle categorie di macchine citate in precedenza, l’ingegnere progettista ha a suo supporto i più moderni sistemi di calcolo CAE (Computer Aided Engineering) e CFD (Computational Fluid Dynamics). Oramai estremamente popolari, strumenti di questo tipo permettono di simulare il funzionamento delle turbomacchine in un ambiente virtuale, riuscendo quindi a velocizzare lo studio di geometrie differenti dei ventilatori e pompe idrauliche, non dovendo più realizzare la fase di prototipazione.

Esempio di modellazione 3D di una pompa idraulica. Dalla girante completa si estrae uno spicchio al fine di minimizzare il volume fluido da simulare. Attraverso una condizione al contorno di periodicità è quindi sfruttabile la condizione di simmetria assiale di una pompa

Esempio di modellazione 3D di una pompa idraulica. Dalla girante completa si estrae uno spicchio al fine di minimizzare il volume fluido da simulare. Attraverso una condizione al contorno di periodicità è quindi sfruttabile la condizione di simmetria assiale di una pompa

Esempio di modellazione 3D di una pompa idraulica. Dalla girante completa si estrae uno spicchio al fine di minimizzare il volume fluido da simulare. Attraverso una condizione al contorno di periodicità è quindi sfruttabile la condizione di simmetria assiale di una pompa

Esempio di modellazione 3D di una pompa idraulica. Dalla girante completa si estrae uno spicchio al fine di minimizzare il volume fluido da simulare. Attraverso una condizione al contorno di periodicità è quindi sfruttabile la condizione di simmetria assiale di una pompa

A partire dalle analisi CFD è possibile visionare ovviamente il campo fluido all’interno della girante, andando ad investigare non solo sulla prevalenza della stessa, ma avere anche informazioni riguardo l’NPSH ad esempio. Il risultato principale dei test è sempre un diagramma comparativo rispetto ai dati sperimentali, come mostrato nel grafico a destra. Le analisi CFD permettono di stimare le caratteristiche delle pompe idrauliche con errori relativamente piccoli, purché vengano seguite delle linee guida precise nell’impostazione della simulazione.

A partire dalle analisi CFD è possibile visionare ovviamente il campo fluido all’interno della girante, andando ad investigare non solo sulla prevalenza della stessa, ma avere anche informazioni riguardo l’NPSH ad esempio. Il risultato principale dei test è sempre un diagramma comparativo rispetto ai dati sperimentali, come mostrato nel grafico a destra. Le analisi CFD permettono di stimare le caratteristiche delle pompe idrauliche con errori relativamente piccoli, purché vengano seguite delle linee guida precise nell’impostazione della simulazione.

A partire dalle analisi CFD è possibile visionare ovviamente il campo fluido all’interno della girante, andando ad investigare non solo sulla prevalenza della stessa, ma avere anche informazioni riguardo l’NPSH ad esempio. Il risultato principale dei test è sempre un diagramma comparativo rispetto ai dati sperimentali, come mostrato nel grafico a destra. Le analisi CFD permettono di stimare le caratteristiche delle pompe idrauliche con errori relativamente piccoli, purché vengano seguite delle linee guida precise nell’impostazione della simulazione.

A partire dalle analisi CFD è possibile visionare ovviamente il campo fluido all’interno della girante, andando ad investigare non solo sulla prevalenza della stessa, ma avere anche informazioni riguardo l’NPSH ad esempio. Il risultato principale dei test è sempre un diagramma comparativo rispetto ai dati sperimentali, come mostrato nel grafico a destra. Le analisi CFD permettono di stimare le caratteristiche delle pompe idrauliche con errori relativamente piccoli, purché vengano seguite delle linee guida precise nell’impostazione della simulazione.

Ecco che i più moderni software di simulazione CFD si rivelano essere un importantissimo strumento nelle mani del progettista. Una domanda che sorge naturale riguarda l’affidabilità di software di questo tipo e la loro capacità di riprodurre un test di laboratorio equivalente. Restando negli esempi citati in precedenza, pompe idrauliche e ventilatori, benché si tratti di macchine rotanti la modellistica coinvolta in tali simulazioni è relativamente limitata. Casi di questo tipo rappresentano situazioni dove i risultati sono estremamente affidabili. Ovviamente è necessario tenere a mente alcuni accorgimenti quali ad esempio:
● Modello di turbolenza: k-epsilon (maggiormente diffuso) o k-omega SST
● Risoluzione della mesh a parete: 30 < y+ < 300 per k-epsilon e y+ < 5 per k-omega SST

Si tratta di regole relativamente semplici per un esperto di simulazioni, ma alla portata anche dei neofiti delle simulazioni che possono in maniera autonoma e con poco lavoro approdare al mondo delle simulazioni. Proprio per persone che stanno iniziando ora i primi passi nel mondo delle simulazioni il mercato propone interessanti strumenti basati su tecnologia CLOUD. Si tratta di software per le simulazioni FEM e CFD cui si accede tramite browser e che permettono di sfruttare risorse hardware remote, pagando solo per le ore effettive di utilizzo del software in modalità pay-per-use e non più elevati costi di licenza. Esempi di applicazioni del genere sono CONSELF e RESCALE.

Come dicevamo, tra i risultati disponibili da una simulazione CFD è possibile estrarre la curva di efficienza al variare della portata. Per ottenere una curva completa è necessario, ovviamente, effettuare più simulazioni, una per ogni punto che si vuole ottenere lungo la curva. La normativa n. 547/2012 permette di calcolare l’efficienza target al BEP secondo la seguente:

Formula 1

dove:
● x = ln(ns), essendo ns ottenuta a sua volta dalla seguente

Formula 2

● y = ln(Q), essendo Q la portata espressa in m3/h
● CPump Type,rpm è un coefficiente dipendente dal Minimum efficiency index (MEI) secondo la seguente tabella.

Tabella 1

Ecco quindi come una semplice simulazione CFD possa fornire tutti i dati necessari per il calcolo dell’efficienza e come questa possa essere facilmente confrontata con quella prevista da normativa per comprendere se vengono raggiunti o meno i requisiti previsti. Anche la normativa n. 327/2011, riferita ai ventilatori, prevede un risultato analogo, ovvero il raggiungimento di un’efficienza target. Il metodo di calcolo in questo caso dipende semplicemente dalla potenza elettrica assorbita dal ventilatore e, nel caso di ventilatori assiali, è calcolabile secondo la seguente tabella.

Tabella 2

Indubbiamente i moderni mezzi di simulazione sono uno strumento indispensabile per la progettazione, così come imposto dalle sempre più stringenti normative di efficienza energetica. Il loro utilizzo, benché in fase di diffusione, non ha ancora raggiunto una distribuzione capillare presso tutti gli studi di ingegneria e aziende manifatturiere ma, anche grazie all’avvento della moderna tecnologia CLOUD, rappresenta probabilmente la più economica soluzione a tutti i problemi di progettazione.

Leggi anche: Analisi CFD secondo D.M. 3 Agosto 2015: simulare una rimessa interrata

Copyright © - Riproduzione riservata
L'autore
Pompe idrauliche e ventilatori con la simulazione CFD Ingegneri.info