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Metodo CFD Fluidodinamica Computazionale

SIMULAZIONI > Teoria CFD


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Cinematica




METODO CFD
Fluidodinamica Computazionale

 

Cos'è la fluidodinamica computazionale


C.F.D. è l'acronimo di Computational Fluid Dynamics.

La fluidodinamica computazionale è l'insieme di tecniche che, attraverso l'ausilio di sistemi computazionali, permettono di simulare la dinamica dei fluidi.

La fluidodinamica computazionale risolve in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi: calcola le grandezze fluide (forze, pressioni, velocità, temperature, etc) e consente di accedere alla conoscenza dei fenomeni attraverso rappresentazioni grafiche, mappe, diagrammi e valori numerici che possono essere rappresentati su punti, superfici o volumi.


Fluidodinamica Computazionale - CFD Sistema Raffreddamento
 

Settori di Applicazione


Quali sono i settori in cui viene utilizzata la fluidodinamica computazionale?

Si utilizza la fluidodinamica computazionale
per tutte le problematiche che coinvolgono l'azione di fluidi e per i quali un calcolo secondo le formule "classiche" risulterebbe impraticabile.

Il calcolo CFD si applica, per esempio, nello studio dell'aerodinamica (automobili da competizione, aerei, razzi) , nello studio di pompe, turbine, motori e valvole, negli impianti, nell'analisi di comfort ambientale, etc etc.


La fluidodinamica computazionale fornisce vantaggi ai progettisti in un'ampia gamma di settori, quali
- settore aerospaziale
- settore automobilistico
- scienze biologiche
- medicale
- macchinari
- high tech
- ambientale
- ...

Fluidodinamica Computazionale - Settori Applicazione
 

Perché la fluidodinamica computazionale


Perché si utilizza la tecnica CFD per il calcolo dei fluidi?

A differenza dei problemi lineari in cui la risposta di un sistema è proporzionale all'input fornito, la fluidodinamica è un problema altamente non lineare e questo comporta che la risposta del sistema sia difficile da predire.

I casi risolti con formule chiuse in fluidodinamica sono molto pochi. Quindi, storicamente, si è cercato un metodo per risolvere il problema del comportamento fisico dei fluidi.

L'introduzione dei sistemi computazionali ha segnato un grande passo scientifico ed ingegneristico e ha permesso di aggredire il sistema di equazioni che sta alla base della teoria dei fluidi: Navier-Stokes.


Fluidodinamica Computazionale - CFD CHT Conjugate Heat Transfer
 

Come funziona la fluidodinamica computazionale


Come funziona il calcolo CFD per il calcolo dei fluidi?

Per risolvere un sistema di fluidodinamica computazionale si devono unire due componenti fondamentali:
- modelli fisici
- metodi numerici

I modelli fisici sono modelli matematici che descrivono la fisica del sistema per determinati fenomeni o in determinate condizioni.

I metodi numerici sono tutte quelle tecniche matematiche che consentono di trovare una soluzione a sistemi complessi di equazioni.



Fluidodinamica Computazionale - CFD Flussi Interni
 

Equazioni di Base CFD


Quali sono le equazioni di base?

Il calcolo fluidodinamico si basa su un sistema di equazioni differenziali di Navier-Stokes.

Queste equazioni di basano su principi classici dell'analisi dei sistemi:
- legge di conservazione della massa: massa entrante, uscente e generata
- legge di conservazione della quantità di moto: variazione della quantità di moto e forze agenti
- legge di conservazione dell'energia: variazione di energia interna, lavoro e calore

Inoltre, sono presenti delle ipotesi aggiuntive:
- il fluido è approssimabile ad un continuo, ovvero non si considera la struttura molecolare ed il suo movimento oltre certi livelli di scala
- le proprietà macroscopiche del fluido esaminato non sono influenzate dalle molecole
- le proprietà del fluido sono descritte da funzioni nello spazio e nel tempo

La soluzione del sistema di equazioni di Navier-Stokes permette di calcolare il campo fluidodinamico di un sistema.

Pur essendo un sistema "facile" da comprendere, la soluzione matematica è di difficile trattazione se non per pochi casi particolari.


Fluidodinamica Computazionale - CFD Traiettorie Fluido
 

Cosa si può calcolare


Modelli fisici della fluidodinamica computazionale?

La fluidodinamica computazionale CFD comprende un notevole numero di modelli fisici che vengono attivati in base ai fenomeni da analizzare.
Riportiamo alcune categorie dei modelli fisici presenti nella fluidodinamica computazionale.
La lista non è esuastiva, tuttavia presenta un notevole porzione delle possibilità presenti:

Modello fluidodinamico computazionale dello stato fluido:
- gassoso
- liquido
- solido

Modello fluidodinamico computazionale delle equazioni di stato dei gas:
- gas ideale
- gas reale

Modello fluidodinamico computazionale del tempo:
- stazionario
- transitorio

Modello fluidodinamico computazionale del regime fluido:
- laminare
- turbolento

Modello fluidodinamico computazionale della turbolenza:
- k-epsilon
- k-omega
- SST
- LES
- DES

Modello fluidodinamico computazionale della comprimibilità:
- comprimibile
- incomprimibile

Modello fluidodinamico computazionale dei domini di calcolo:
- interni
- esterni
- rotazionali (1 DOF)

Modello fluidodinamico computazionale di movimento:
- movimento arbitrario (da 1 a 6 DOF)
- movimento prescritto (da 1 a 6 DOF)

Modello computazionale dei domini rotazionali:
- MRF
- DFBI (denominazione che varia in base al software)
- Overset
- Harmonic balance

Modello fluidodinamico computazionale della trasmissione del calore:
- conduzione
- convezione (naturale e forzata)
- irraggiamento

Modello fluidodinamico computazionale del dominio di trasmissione del calore:
- trasferimento termico nei fluidi
- trasferimento termico nei solidi
- trasferimento termico coniugato tra fluidi e solidi (CHT)

Modello fluidodinamico computazionale delle miscele di fluidi:
- fluidi multicomponente (di gas o di liquidi)
- fluidi multifase (presenza di fluidi e gas)
- fluidi con particelle in sospensione

Modello fluidodinamico computazionale delle particelle:
- particelle sospese 1-way coupling
- particelle sospese 2-way coupling
- particelle discrete (DEM)

Modello fluidodinamico computazionale della formulazione matematica delle fasi:
- calcolo euleriano
- calcolo lagrangiano
- calcolo misto euleriano-lagrangiano
- VOF

Modello fluidodinamico computazionale del cambiamento di fase:
- evaporazione
- condensazione

Modello fluidodinamico computazionale del regime fluido:
- regime subsonico
- regime transonico
- regime supersonico

Modello fluidodinamico computazionale dell'interazione fluido/solido
:
- FSI 1-way coupling
- FSI 2-way coupling
- Moto prescritto del solido nel fluido
- Moto indotto del solido dal fluido

Modello fluidodinamico computazionale di combustione:
- premiscelata
- non premiscelata
- parzialmente premiscelata
- EBU
- PPDF
- chimica complessa

Fluidodinamica Computazionale - CFD Scambio Termico
 

Vantaggi Fluidodinamica Computazionale


Considerazioni?

La fluidodinamica computazionale presenta una complessità elevata per via della grande quantità di fenomeni che si possono simulare.

Tuttavia i vantaggi che ne derivano sono molteplici:
- misurazione di grandezze di difficile rilevazione per via sperimentale
- misure su tutto il volume/dominio di calcolo (per via sperimentale è possibile misurare grandezze solo in certi punti)
- valutazioni preliminari dei sistemi già in fase di progetto
- riduzione del ricorso a prototipi
- possibile complemento a studi sperimentali per avere una visione allargata dei fenomeni in atto.

Alla fine si ha una riduzione dei tempi di progettazione, di primaria importanza nelle attività odierne.


Fluidodinamica Computazionale - CFD Ventilatore
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