ANALISI COMPUTAZIONALE FLUIDODINAMICA
Con il termine fluidodinamica computazionale (CFD) ci si riferisce alla simulazione e all'analisi eseguita con un software di progettazione assistita da computer (CAD) per calcolare il flusso di un liquido o di un gas che fluisce all'interno o intorno a un prodotto.
Si tratta di una soluzione multifisica poiché prevede l'interazione di più fenomeni, tra cui la fluidodinamica, la termodinamica e la legge di conservazione della quantità di moto. Come nell'analisi a elementi finiti (FEA), il volume del fluido viene suddiviso in elementi più piccoli che vengono composti in una matrice. La CFD ha anche molti usi diversi dallo sviluppo di prodotti e dall'aerodinamica, come ad esempio le previsioni meteorologiche e gli effetti visivi.
Nello sviluppo dei prodotti, la fluidodinamica computazionale ci consente di progettare prodotti e sistemi che soddisfano i requisiti di flusso dei fluidi e di trasferimento del calore. Vediamo come funziona.
Sistema Aspirazione Semplice
Funzionalità della fluidodinamica computazionale
Utilizzando un software di fluidodinamica computazionale, è possibile calcolare e visualizzare valori relativi ai fluidi, quali:
- Velocità e direzione delle particelle all'interno o all'esterno del modello;
- Temperatura;
- Pressione;
- Vortici, che forniscono un'indicazione del moto rotatorio del fluido nell’ambiente.
Questi risultati possono essere calcolati e visualizzati (1) in punti specifici di un modello; (2) per il valore massimo o minimo su una superficie o un componente; o (3) in tutto il volume del fluido. Quando vengono visualizzati nel fluido, i risultati possono essere rappresentati come contorni di colore, particelle, campo di direzione o linee di flusso. Per facilitare ulteriormente la comprensione del comportamento e velocizzare i calcoli, i risultati possono essere visualizzati in corrispondenza di uno specifico piano di taglio.
Processo generale della fluidodinamica computazionale
La fluidodinamica computazionale può essere eseguita effettuando le seguenti operazioni:
- Iniziare con un modello: prima di accedere al software di simulazione CFD, creare la parte o l'assieme 3D da analizzare. La struttura geometrica può essere nativa del software CAD o importata;
- Definire il dominio fluido: il liquido o il gas nella simulazione può essere interno, come l'acqua che scorre in un sistema di tubature, o esterno, come l'aria che scorre sulle superfici esterne di un veicolo. Definire la regione di volume e applicare le proprietà dei materiali al fluido, tra cui densità, viscosità, coefficiente di espansione termica, capacità termica specifica e conduttività termica;
- Stabilire le condizioni al contorno: rappresentano il movimento dei fluidi all'ingresso e all'uscita del modello di analisi. Il movimento del fluido può essere definito dalla velocità del flusso, dalla pressione in ingresso e in uscita e dalla portata massica. Per il flusso interno, ulteriori condizioni al contorno possono includere i vortici in ingresso (velocità con componenti sia normali che radiali), e movimenti rotatori per simulare i componenti in movimento e la gravità. Rilevano anche le condizioni termiche. Come condizioni al contorno possono essere utilizzate anche le temperature correlate alla geometria del modello. I carichi termici nel sistema possono essere definiti in funzione di scambio termico, flusso di calore, convezione e irraggiamento;
- Eseguire l’analisi: lo studio CFD può essere eseguito sia in condizioni transitorie, per vedere gli effetti sul flusso e sulla temperatura in funzione del tempo, sia in condizioni stazionarie, per vedere i risultati all'equilibrio;
- Valutare i risultati: come detto in precedenza, nel modello è possibile visualizzare graficamente una serie di grandezze per comprendere il comportamento del sistema;
- Ottimizzare il sistema: l'analisi fluidodinamica computazionale si aggiorna in tempo reale con le modifiche apportate, fornendo un feedback immediato per migliorare il modello in base all'ambiente operativo.
