Metodo CFD Fluidodinamica Computazionale
SIMULAZIONI > TEORIA CFD
Analisi CFD
-------------------------
Analisi FEM
-------------------------
Vantaggi FEM/CFD
-------------------------
Cinematica
METODO CFD
Fluidodinamica Computazionale
Fluidodinamica Computazionale
Cos'è la Fluidodinamica Computazionale?
C.F.D. è l'acronimo di Computational Fluid Dynamics.
La fluidodinamica computazionale (o fluidodinamica numerica) 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.
Quali sono i settori in cui viene utilizzata la fluidodinamica computazionale CFD?
Si utilizza la fluidodinamica computazionale per tutti i problemi 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 e turbine
- motori
- valvole
- impianti termotecnici
- nell'analisi di comfort ambientale
La fluidodinamica computazionale fornisce vantaggi ai progettisti in un'ampia gamma di settori, quali:
- settore aerospaziale
- settore automobilistico
- scienze biologiche
- dispositivi medicali
- macchinari
- high tech
- ambientale
Fluidodinamica Computazionale - Settori Applicazione
Perché si utilizza la metodo 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 sistema 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.
Come funziona la fluidodinamica computazionale?
Per risolvere un sistema di fluidodinamica computazionale CFD 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.
Quali sono le equazioni di base CFD?
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 e/o entalpia: variazione di energia interna, lavoro e calore
Inoltre, sono presenti delle ipotesi aggiuntive:
- il fluido è considerato 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 complessa.
Cosa si può calcolare con un CFD?
Modelli fisici della fluidodinamica computazionale CFD
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 esaustiva, tuttavia presenta un notevole porzione delle possibilità di calcolo.
Modello fluidodinamico computazionale dello stato fluido:
- gassoso
- liquido
- solido
- plasma
Modello fluidodinamico computazionale delle equazioni di stato dei gas:
- gas ideale, in cui le equazioni dei gas seguono il modello ideale
- gas reale, in cui le equazioni considerano una deviazione dalla condizione ideale
- gas composti, in cui le proprietà della miscela di gas sono calcolate considerando le proprietà dei singoli componenti
Modello fluidodinamico computazionale del tempo:
- stazionario, se si desidera trovare solo la soluzione finale di equilibrio dinamico
- transitorio, se si vuole analizzare anche le transizioni del fluido che avvengono nel tempo
Modello fluidodinamico computazionale del regime fluido:
- laminare, se il moto del fluido è ordinato
- turbolento, se il fluido presenta moto con forti dispersioni di energia dovute all'effetto del moto fortemente caotico
Modello fluidodinamico computazionale della turbolenza:
- k-epsilon
- k-omega
- SST
- LES
- DES
Modello fluidodinamico computazionale della comprimibilità:
- comprimibile, se la pressione influenza la densità del fluido
- incomprimibile, se la densità del fluido rimane costante per il range di pressioni considerate
Modello fluidodinamico computazionale dei domini di calcolo:
- interni, se il volume considerato per la simulazione CFD è racchiuso in uno spazio confinato
- esterni, quando il volume da analizzare considera anche porzioni esterne quali l'atmosfera
- rotazionali (1 DOF), se porzioni di fluido sono messe in rotazione come il caso classico delle rotante di una pompa o di un ventilatore
Modello fluidodinamico computazionale di movimento:
- movimento arbitrario (da 1 a 6 DOF), il moto di oggetti nel fluido avviene secondo una o più direzioni ed è l'effetto del moto del fluido circostante
- movimento prescritto (da 1 a 6 DOF), il moto di un oggetto è fissato e priori e si desidera conoscere l'effetto che ha sul fluido circostante
Modello computazionale dei domini rotazionali:
- MRF, Moving Reference Frame in cui si simula il campo rotazionale generato da un oggetto rotante
- DFBI (denominazione che varia in base al software), in cui si simula un oggetto si muove effettivamente all'interno del fluido
- Overset, tecnica utilizzata per analizzare ill movimento di oggetti nel fluido senza dover ricorrere alla mesh deformabile
- Harmonic Balance, tecnica di moto utilizzata per le turbomacchine
Modello fluidodinamico computazionale della trasmissione del calore:
- conduzione, fenomeno di trasmissione di calore all'interno dei solidi
- convezione (naturale e forzata), fenomeno di trasmissione di calore tra fluido e solido
- irraggiamento, fenomeno di trasferimento di calore da solido a solido anche se non in contatto
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), ossia miscela di liquidi o di gas
- fluidi multifase, in cui si ha la presenza di fluidi diversi come acqua (liquido) e gas (aria)
- fluidi con particelle in sospensione, in cui si presenta una fase solida dispersa miscelata ad un liquido
Modello fluidodinamico computazionale delle particelle:
- particelle sospese 1-way coupling, in cui le particelle solide risentono del moto del fluido, ma non lo possono influenzare
- particelle sospese 2-way coupling, in cui le particelle solide possono anche influenzare il moto del fluido
- particelle discrete (DEM), in cui le particelle hanno delle dimensioni non trascurabili e quindi assumono dei comportamenti che divergono da quelli di particelle infinitesimali
Modello fluidodinamico computazionale della formulazione matematica delle fasi:
- calcolo euleriano, metodo principale del calcolo fluidodinamico in cui i volumi sono fissi (celle) e si considerano i bilanci fisici del fluido entrante ed uscente nel volume
- calcolo lagrangiano, come nel caso di particelle disperse in fluido in cui si desidera conoscere la traiettoria di ognuna di esse.
- calcolo misto euleriano-lagrangiano, possono essere utilizzati i sistemi per il calcolo CFD
- VOF, tecnica utilizzata nei casi multifase in cui si hanno liquido e gas che interagiscono tra di loro
Modello fluidodinamico computazionale del cambiamento di fase:
- evaporazione, trasformazione di fase da liquido a gas
- condensazione, trasformazione di fase da gas a liquido
Modello fluidodinamico computazionale del regime fluido:
- regime subsonico, velocità del fluido al di sotto di quelle del suono
- regime transonico, velocità del fluido in cui coesistono entrambe le condizioni subsoniche e supersoniche
- regime supersonico, velocità del fluido superiori a quelle del suono
Modello fluidodinamico computazionale dell'interazione fluido/solido:
- FSI 1-way coupling, interazione fluido-struttura in cui le deformazioni generate nei solidi dal fluido non influenzano il moto del fluido stesso
- FSI 2-way coupling, interazione fluido-struttura in cui il fluido e i solidi si influenzano reciprocamente nel moto o nelle deformazioni
- 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
Vantaggi della Fluidodinamica Computazionale?
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.
Esempi di Lavori, Calcoli CFD e Analisi CFD
Vuoi vedere altri lavori eseguiti dal nostro Studio?
Nella Galleria potrai trovare altri esempi di Analisi CFD che mostrano quali sono le potenzialità delle analisi fluidodinamiche.
Hai un Progetto in Mente? Contattaci per una Consulenza CFD
Descrivici la tua sfida ingegneristica CFD.
Ti contatteremo per valutare la fattibilità di un'analisi CFD e per proporti la soluzione più efficace per le Tua richiesta.
Vuoi sapere come funzione una consulenza ingegneristica CFD?
La nostra pagina sulla consulenza CFD consente di capire in cosa consiste questa attività.
Non sai come descrivere il problema in termini di fluidodinamica CFD?
Descrivici il tuo problema in maniera semplice.
Penseremo noi a tradurre la tua richiesta nel modello CFD che servirà a trovare la soluzione.