Che cos’è la simulazione CFD?
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Che cos'è la simulazione CFD?
In questo articolo ci concentreremo sulla comprensione della simulazione CFD in modo generale, dettagliando le diverse fasi comuni ai vari tipi di simulazione (HVAC, idrologia, trasferimento di calore, diffusione dell’inquinamento, sicurezza antincendio…).
Definizione di CFD
[computationnal fluids dynamics] Il successo di una simulazione CFD dipende da: una comprensione delle sfide del modello; una descrizione completa della geometria della struttura; lo sviluppo di una maglia adattata alla morfologia della struttura, rendendola più fitta nelle zone in cui è probabile che appaiano i gradienti delle grandezze desiderate; uno studio rigoroso delle condizioni al contorno e iniziali, tenendo conto dei meccanismi aeraulici o idraulici più influenti. E, infine, una lettura rigorosa e critica da parte di tecnici qualificati dei risultati in funzione del problema studiato.
Perché utilizzare la simulazione CFD?
La CFD, acronimo di Computational Fluid Dynamics (dinamica dei fluidi computazionali), è uno strumento di ingegneria che rientra nell’ambito della cosiddetta ingegneria assistita da computer (CAE). Più precisamente, la CFD si riferisce alla simulazione del flusso dei fluidi, tenendo conto dei fenomeni fisici e chimici coinvolti (come la turbolenza, il trasferimento di calore o le reazioni chimiche).
Simulazione CFD: un'alternativa ai test in galleria del vento
Test in galleria del vento
I test in galleria del vento sono progettati per riprodurre l’interazione tra vento turbolento e strutture. Per le strutture strutturalmente rigide, icarichi aerodinamici possono essere valutati su modelli rigidi.
I test in galleria del vento sono stati ampiamente utilizzati per applicazioni di ingegneria civile e industriale negli ultimi cinque decenni .
I test in galleria del vento richiedono una configurazione costosa e una strumentazione sofisticata per misurare una gamma di variabili di campo (velocità del vento, carichi di pressione, intensità della turbolenza, ecc.). Il suo limite principale è che tali misurazioni sono ottenute solo in alcuni punti specifici della sezione di prova, il che limita fortemente la comprensione complessiva dei processi evolutivi o transitori di complessi fenomeni instabili (come il vortice che si frantuma, le scie turbolente e la stratificazione termica).
Studio della ventilazione naturale in galleria del vento
Studio della galleria del vento Eiffel - Credit @AirDesignLab
Simulazione CFD: un'evoluzione del tipo di toolbox
CFD offre molti vantaggi rispetto ai test in galleria del vento. Oltre a generare simulazioni in scala reale (piuttosto che modelli in scala ridotta per molte simulazioni fisiche), fornisce anche dati complementari e consente il confronto per un dato vento delle velocità del vento contemporaneamente tra due punti. È possibile effettuare studi idrologici, aeraulici o termici a diverse scale: dalla microelettronica agli studi su edifici e città. I risultati possono essere visualizzati più chiaramente e spiegati a quante più persone possibile.
Simulazione CFD: una vasta gamma di applicazioni
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Cassetta degli attrezzi che consente:
- Simula il flusso di un fluido intorno o all'interno di un corpo
- Aerodinamico
- Studia il comfort del vento
- Studio dei carichi del vento
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Cassetta degli attrezzi termica:
- Studiare gli scambi convettivi
- Studiare scambi conduttivi
- Studia gli scambi radiativi
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Cassetta degli attrezzi multifisica:
- Visualizza la dispersione degli inquinanti
- Studia l'estrazione del fumo
- Studia il movimento di polvere, sabbia, ecc.
- Studia il movimento di oggetti, ventilatori, pompe, ecc.
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Studio idrologico :
- Flusso del fluido
- Rischio di sommersione
- Possibilità di pioggia o neve
Questi metodi possono essere utilizzati per risolvere un’ampia gamma di problemi, che presenteremo di seguito.
Cosa può offrire la simulazione CFD?
Grazie alla simulazione, è possibile migliorare la progettazione di un processo o di un prodotto senza ricorrere alla costruzione di prototipi(costosi e dispendiosi in termini di tempo); si possono evitare decisioni sbagliate; si ottiene una migliore conoscenza del processo o del prodotto, consentendo diavanzare più rapidamente nel processo di progettazione (scelta delle soluzioni migliori), nonché di risolvere i problemi che si presentano negli impianti o nei processi già in funzione.
Pertanto si può porre la struttura di un problema fisico, che può essere studiata in simulazione numerica CFD.
Panoramica del modello CFD
Come si organizza un progetto di simulazione CFD?
Quanto tempo devo pianificare per un progetto CFD?
In generale, un progetto di simulazione di fluidi prevede uno studio preliminare del processo/fenomeno da analizzare, la creazione di un modello geometrico dettagliato, la scelta (e l’implementazione, se necessario) dei modelli matematici appropriati, l’applicazione dei dati operativi come condizioni al contorno, il calcolo numerico (che può variare da pochi minuti a qualche giorno, a seconda della complessità del calcolo) e l’analisi dei risultati.
Pertanto, sebbene negli ultimi anni siano state sviluppate applicazioni per facilitarne l’uso, la corretta esecuzione di un progetto CFD richiede esperienza e un significativo investimento di risorse.
Definizione del problema di studio
Prima di iniziare uno studio di progettazione, dobbiamo farti alcune domande importanti. Queste domande sono fondamentali per determinare la geometria con cui inizieremo l’analisi, su quali parti del vostro progetto ci concentreremo e quali parametri esamineremo una volta completata l’analisi.
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Capire il tuo problema
- Quali sono le condizioni operative di questo progetto?
- Quali materiali vengono utilizzati in questo disegno?
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Cosa vuoi sapere sulle prestazioni di questo design?
- Quali sono gli obiettivi di questo design?
- Esistono criteri di successo o di fallimento?
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Cosa puoi cambiare in questo design per raggiungere i tuoi obiettivi?
- È possibile modificare le condizioni operative?
- Puoi cambiare i materiali?
- Quali parti del design possono essere modificate?
Dopo aver risposto a queste domande per migliorare la comprensione dei problemi, il processo di modellazione CFD comune a tutti i tipi di progetto è descritto in dettaglio qui.
Preparazione del modello 3D
Come viene prodotto il modello CFD 3D?
Una simulazione efficace inizia con buone tecniche di modellazione, sia in termini di integrità del modello che di creazione appropriata di diverse regioni di flusso del fluido e di ottimizzazione delle maglie. Il primo passo consiste nel progettare un modello per l’analisi del flusso del fluido. Ciò significa modellare la geometria in cui si verifica il flusso e ottimizzare il modello per la simulazione.
Ottimizza il modello per la simulazione
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Il problema :
- La geometria del livello di produzione può contenere lacune, lacune e dettagli composti da molti piccoli elementi dannosi per la simulazione CFD.
- Queste funzionalità sono spesso necessarie per la produzione, ma possono aggiungere complessità non necessaria per la simulazione. Si tratta quindi di selezionare solo gli elementi rilevanti per il problema in questione.
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La metodologia :
- Per risparmiare tempo e risorse di calcolo, riduciamo le parti del modello che sono troppo piccole per influenzare i risultati della simulazione.
- Per i grandi assiemi, manteniamo solo le parti critiche del progetto. Questo accelera il processo di risoluzione.
- In alcuni casi, ricreeremo una nuova versione semplificata del vostro progetto per concentrarci sulle aree di studio principali.
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Le diverse fasi di riparazione della geometria del modello 3D CFD :
- Elimina gli spazi che impediscono di riempire i vuoti. Di solito si tratta di spazi vuoti tra pezzi, fori, elementi di giunzione per edifici, ecc.
- Riduzione di gruppi molto grandi per includere solo i componenti vitali.
- Elimina gli spazi tra elementi non adiacenti.
Preparare il modello CFD 3D per l'ottimizzazione della mesh
Per studiare il movimento dei fluidi in un progetto, è necessario disporre di un modello della regione di flusso. Lamaggior parte dei modelli 3D non li include per impostazione predefinita, quindi si tratta di crearli con un software che completi il modello 3D originale. D’altra parte, si tratta anche di preparare il modello per l’ottimizzazione delle maglie nelle aree a rischio. Pertanto, aggiungiamo parti 3D, invisibili nei rendering e negli studi CFD, che saranno utilizzate per affinare con precisione la mesh nelle aree di flusso da catturare nello studio CFD.
Che cos'è la rete? (e perché è importante?)
La generazione della mesh (3D) è una fase importante in un’analisi CFD, data la sua influenza sulla soluzione calcolata. Una mesh di ottima qualità è essenziale per ottenere un risultato di calcolo preciso, robusto e significativo.
Calcoli agli elementi finiti
Prima di eseguire una simulazione CFD, la geometria viene suddivisa in piccoli pezzi chiamati elementi. L’angolo di ogni elemento è un nodo. Il calcolo viene eseguito sui nodi. Questi elementi e nodi costituiscono la mesh.
Nei modelli tridimensionali, la maggior parte degli elementi sono tetraedri: un elemento a quattro lati con una faccia triangolare. Nei modelli bidimensionali, la maggior parte degli elementi sono triangoli.
Struttura a rete
Si distingue tra maglia strutturata e non strutturata, ortogonale o libera. In una mesh strutturata 3D, il calcolo viene eseguito più rapidamente poiché non richiede l’assemblaggio di una matrice di connessione. In una mesh non strutturata, questo non è il caso. Il vantaggio di quest’ultimo è che consente di meshare qualsiasi geometria. D’altra parte, la creazione e l’impostazione in memoria della matrice può rallentare fortemente il calcolo. Questo tipo di mesh viene utilizzato per geometrie complesse con curve o un numero elevato di elementi.
I volumi solidi richiedono pochi elementi , a differenza dei volumi fluidi che richiedono un preciso affinamento perché non possono allontanarsi da una geometria parallelepipeda; infatti per gli angoli degli elementi molto deformati si corre il rischio che il calcolo non possa convergere.
Visualizzazione dell'impatto della mesh sulla risoluzione dello studio CFD
Densità della maglia
Per quanto riguarda la densità della mesh, è necessario trovare un compromesso tra il costo del tempo di calcolo e la precisione desiderata. È inutile densificare la mesh, di conseguenza aumentare il numero di iterazioni, se la precisione è sufficiente con un numero limitato di elementi.
Principio di adattamento delle maglie
La qualità della mesh ha un grave impatto sulla convergenza , sulla precisione della soluzione e soprattutto sui tempi di calcolo. Una buona qualità della mesh si basa sulla minimizzazione degli elementi che presentano “distorsioni” e su una buona “risoluzione” nelle regioni che presentano un forte gradiente (gap, strati limite, ricircolo, ecc.).
La mesh è adattata per essere il più fine possibile nelle aree di studio critiche. In questo modo è possibile tenere conto dei fenomeni macroscopici (volumetria dell’edificio) che incanalano i tubi di corrente per effetto venturi e allo stesso tempocatturare correttamente i fenomeni aeraulici su scala minore (diffusione dell’aria).
Come vengono definite le condizioni al contorno della CFD?
Condizioni iniziali
Le condizioni iniziali rappresentano le caratteristiche del flusso in termini di velocità e posizione della superficie libera all’inizio della simulazione. Se il calcolo inizia con valori casuali, la simulazione potrebbe divergere rapidamente. Per non discostarsi troppo dai risultati realistici e per ottimizzare i tempi di calcolo, le condizioni iniziali vengono studiate e scelte prima dello studio CFD.
Condizioni al contorno
Lo studio delle condizioni al contorno è determinante in una modellizzazione, si possono riassumere le condizioni al contorno come ipotesi della simulazione. Questa è la fase più critica per il successo dello studio e la definizione delle condizioni al contorno specifiche del progetto deve essere studiata in dettaglio all’inizio dell’incarico.
Metodo di risoluzione
Selezione del modello di turbolenza
La nozione di modello di turbolenza è particolare nella meccanica dei fluidi. Consente di catalogare le varie strutture che coesistono in un flusso e di attribuire loro una certa importanza all’interno del flusso.
Studi comparativi di modelli di turbolenza condotti da Combes[2000] hanno permesso di designare il modello con due equazioni di trasporto k-ε come il modello più adatto ai flussi generalisti. È uno dei modelli più utilizzati, più efficienti, più semplici e più ampiamente convalidati. k rappresenta l’energia cinetica turbolenta e ε la velocità di dissipazione dell’energia cinetica turbolenta. Logicamente lo useremo per la maggior parte delle simulazioni di fluidi in termoaeraulica e idrologia, ma possiamo selezionare altri modelli di turbolenza per simulazioni particolari.
Metodo di calcolo
La soluzione numerica è condotta attraverso la linearizzazione e la discretizzazione dell’insieme di equazioni di conservazione, che richiede la suddivisione del dominio di calcolo in una serie di volumi finiti non contigui (mesh). La risoluzione dello studio consiste nella risoluzione del sistema di equazioni non lineari di Navier-Stokes su server informatici dedicati al CFD.
Visualizzazione dei risultati
Riassunti grafici
Il flusso di un fluido in un volume è solitamente complesso e comporta molti ricircoli a bassa velocità, il che rende difficile la visualizzazione su un piano. Riportiamo i fenomeni più eclatanti con piani/sezioni di situazioni e spiegazioni molto complete.
Disponiamo di un’ampia gamma di rappresentazioni (tubo di corrente, campi vettoriali, isosuperficie, ecc.) che ci consentono di trascrivere al meglio i fenomeni aeraulici individuati nella relazione tecnica.
L’interpretazione dei risultati richiede la padronanza del software di analisi CFD, ma soprattutto competenze di fisica e conoscenza del prodotto analizzato per spiegare con precisione i vari fenomeni.
Riassunti grafici
Secondo il nostro feedback, per gli elementi più sorprendenti, vengono prodotti video che mostrano le diverse viste del modello CFD in modo dinamico. Il brief tecnico che può fare riferimento a questi video per facilitarne la lettura. Certi fenomeni, infatti, si rivelano di difficile comprensione sul piano.
Vantaggi e svantaggi della simulazione CFD
Vantaggi della simulazione CFD
- I modelli possono essere simulati nella loro interezza e consentono l'analisi simultanea dell'impatto di molti fenomeni.
- Le simulazioni forniscono i dati di misura per qualsiasi punto (sulla griglia)
- Molti parametri possono essere salvati che non sono accessibili negli esperimenti, i progetti possono essere protetti.
- Nelle prime fasi del processo di progettazione, è possibile simulare un gran numero di prototipi per raccogliere rapidamente informazioni per l'ottimizzazione del sistema.
- Le simulazioni possono contribuire a una migliore comprensione del problema al fine di sviluppare soluzioni tecniche pertinenti
- Integrare la simulazione CFD nei propri protocolli di progettazione significa integrare un team di esperti che avranno una prospettiva diversa nella ricerca di una soluzione.
Svantaggi della simulazione CFD
- Gli errori possono verificarsi a causa di modelli che hanno condizioni al contorno troppo semplici o errate.
- Possibili incertezze dovute a valori di calcolo insufficienti per cella e conseguenti errori di interpolazione
- Il tempo di calcolo per i modelli di grandi dimensioni può essere lungo
Questi problemi sono chiaramente ridotti grazie all’esperienza acquisita dagli ingegneri di EOLIOS in numerosi progetti. È importante realizzare questo tipo di studio con un team qualificato.
Quanto costa una simulazione CFD?
Ok, è vero che la CFD non è lo strumento di ingegneria più economico (rispetto a un’applicazione CAD standard o a un foglio di calcolo) a causa della sua complessità e dei suoi requisiti (esperienza, licenze, risorse di calcolo).
D’altra parte, i risultati che questo tipo di studi offre e il loro contributo ad un processo di progettazione o problem solving non possono essere paragonati a quelli ottenuti con strumenti più semplici.
La riduzione dei tempi di progettazione, i risparmi sulla prototipazione e il miglioramento del processo o del prodotto sono di solito superiori al costo della simulazione CFD.
Offriamo protocolli di missione adattati a qualsiasi budget.
Se dopo aver letto questo articolo ritenete che il vostro progetto possa beneficiare degli strumenti CFD, contattateci e vi forniremo un protocollo di studio chiaro e dettagliato.
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