Che cos'è la simulazione CFD?

Che cos'è la simulazione CFD?

In questo articolo ci concentreremo sulla comprensione della simulazione CFD in generale, dettagliando le diverse tappe comuni ai vari tipi di simulazione (ingegneria HVAC, idrologia, trasferimento termico, diffusione dell'inquinamento, sicurezza antincendio…).

Definizione della CFD

Perché utilizzare la simulazione CFD?

La CFD, acronimo di « Computational Fluid Dynamics », è uno strumento di ingegneria che rientra in ciò che si chiama ingegneria assistita dal computer (CAE). Più precisamente, la CFD fa riferimento 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).

La simulazione CFD: un'alternativa ai test in galleria del vento

Le prove in galleria del vento

Le prove in galleria del vento hanno lo scopo di riprodurre l'interazione tra il vento turbolento e le strutture. Per le opere strutturalmente rigide, è possibile valutare i carichi aerodinamici su modelli rigidi.

Le prove in galleria del vento sono state ampiamente utilizzate per le applicazioni industriali e nell'ingegneria civile nel corso degli ultimi cinque decenni.

I test in galleria del vento richiedono un impianto costoso e strumenti sofisticati per misurare una serie di variabili di campo (velocità del vento, carichi di pressione, intensità della turbolenza, ecc.). Il loro limite principale risiede nel fatto che tali misure si ottengono solo in alcuni punti precisi della sezione di prova, il che limita notevolmente la comprensione globale dei processi evolutivi o transitori di fenomeni complessi instazionari (come il distacco di vortici, le scie di turbolenza e la stratificazione termica).

Studio della ventilazione naturale in galleria del vento

La simulazione CFD: un'evoluzione di tipo cassetta degli attrezzi

La CFD offre numerosi vantaggi per la ventilazione rispetto alle prove in galleria del vento. Oltre a generare simulazioni a scala reale (anziché modelli in scala ridotta come in molte simulazioni fisiche), fornisce anche dati complementari e permette di confrontare, per un dato vento, le velocità del vento simultaneamente tra due punti. È possibile realizzare studi di idrologia, di aeraulica o di termica a diverse scale: dalla microelettronica agli studi di edifici e città. I risultati possono essere visualizzati più chiaramente e spiegati a un pubblico più ampio.

La simulazione CFD: un ventaglio molto ampio di applicazioni

Questi metodi permettono di risolvere un ventaglio molto ampio di problematiche che presentiamo più avanti.

Cosa può apportare l'utilizzo della simulazione CFD?

Grazie alla simulazione CFD, la progettazione di un processo o di un prodotto può essere migliorata senza ricorrere alla costruzione di prototipi (costosi in tempo e denaro) ; si può evitare una cattiva decisione ; si ottiene una migliore conoscenza del processo o del prodotto, grazie alla quale è possibile avanzare più rapidamente nei processi di progettazione (scelta delle soluzioni migliori), nonché risolvere i problemi che si presentano in impianti o processi già in funzione.

Una volta che è possibile definire il quadro di un problema fisico, esso può essere studiato in simulazione numerica CFD.

Come si organizza un progetto di simulazione CFD?

Quanto tempo prevedere per un progetto CFD?

In generale, un progetto di simulazione di fluido implica uno studio preliminare del processo o del 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 di esercizio come condizioni al contorno, il calcolo numerico (che può variare da qualche minuto a qualche giorno, a seconda della complessità del calcolo) e l'analisi dei risultati.

Pertanto, nonostante negli ultimi anni siano state sviluppate applicazioni per facilitarne l'uso, eseguire correttamente un progetto CFD richiede esperienza e un investimento importante in risorse.

Definizione della problematica di studio

Prima di iniziare uno studio di progettazione, dobbiamo porti alcune domande importanti. Queste domande sono cruciali per determinare la geometria da cui inizieremo le analisi, le parti della tua progettazione su cui concentrarci e i parametri da osservare una volta terminata l'analisi.

Una volta ottenute queste risposte, che permettono di migliorare la comprensione delle sfide, dettagliamo qui il processo di modellazione CFD comune a tutti i tipi di progetto.

Preparazione del modello 3D

Come si realizza il modello 3D di studio CFD?

Una simulazione efficace inizia con buone tecniche di modellazione, sia in termini di integrità del modello sia di creazione appropriata delle diverse regioni di flusso dei fluidi e di ottimizzazione della mesh. Il primo passo consiste nel progettare un modello per l'analisi del flusso dei fluidi. Ciò significa modellare la geometria in cui avviene il flusso e ottimizzare il modello per la simulazione.

Ottimizzare il modello per la simulazione

Preparare il modello 3D CFD all'ottimizzazione della mesh

Per studiare il movimento dei fluidi in una progettazione, deve esistere una modellazione della regione di flusso. La maggior parte dei modelli 3D non la include per impostazione predefinita: occorre quindi realizzarla con software che completano il modello 3D originale. D'altra parte, si tratta anche di preparare il modello all'ottimizzazione della mesh nelle zone a forte rilevanza. Aggiungiamo così parti 3D — invisibili nei rendering e negli studi CFD — destinate a permettere di raffinare con precisione la mesh nelle zone di flusso da catturare.

Che cos'è la mesh? (e perché è importante?)

La generazione della mesh (3D) è una fase importante di un'analisi CFD, vista la sua influenza sulla soluzione calcolata. Una mesh di ottima qualità è essenziale per ottenere un risultato di calcolo preciso, robusto e significativo.

Calcoli a elementi finiti

Prima di eseguire una simulazione CFD, la geometria è divisa in piccole parti chiamate elementi. L'angolo di ogni elemento è un nodo. Il calcolo viene effettuato nei nodi. Questi elementi e nodi costituiscono la mesh.

Nei modelli tridimensionali, la maggior parte degli elementi sono tetraedri: un elemento a quattro lati e a faccia triangolare. Nei modelli bidimensionali, la maggior parte degli elementi sono triangoli.

Struttura della mesh

Si distingue la mesh strutturata e non strutturata, ortogonale o libera. In una mesh strutturata in 3D, il calcolo è più rapido poiché non richiede l'assemblaggio di una matrice di connessione. In una mesh non strutturata, non è così. Il vantaggio di quest'ultima è che permette di discretizzare geometrie qualsiasi; in compenso, la creazione e la memorizzazione della matrice possono rallentare notevolmente il calcolo. Questo tipo di mesh è utilizzato per geometrie complesse con curve o un gran numero di elementi.

I volumi solidi richiedono pochi elementi, al contrario dei volumi di fluido che richiedono un raffinamento preciso poiché non possono allontanarsi da una geometria parallelepipeda; infatti, per gli angoli degli elementi molto deformati, vi sono rischi che il calcolo non converga.

Densità della mesh

Per quanto riguarda la densità della mesh, occorre trovare un compromesso tra il costo del tempo di calcolo e la precisione ricercata. È inutile infittire la mesh — e di conseguenza aumentare il numero di iterazioni — se la precisione è sufficiente con un numero limitato di elementi.

Principio di adattamento della mesh

La qualità della mesh ha un serio impatto sulla convergenza, sulla precisione della soluzione e soprattutto sul tempo 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…).

La mesh è adattata per essere il più fine possibile nelle zone di studio critiche. Ciò permette di tenere conto dei fenomeni macroscopici (volumetria dell'edificio) che incanalano tubi di corrente per effetto Venturi, cogliendo al contempo correttamente i fenomeni aeraulici di scala più piccola (diffusione dell'aria).

Come si definiscono le condizioni al contorno CFD?

Condizioni iniziali

Le condizioni iniziali rappresentano le caratteristiche del flusso in termini di velocità e di posizione della superficie libera all'avvio della simulazione. Se il calcolo inizia con valori casuali, la simulazione rischia rapidamente di divergere. Per non allontanarsi troppo dai risultati realistici e ottimizzare il tempo di calcolo, le condizioni iniziali sono studiate e scelte a monte dello studio CFD.

Condizioni al contorno

Lo studio delle condizioni al contorno è determinante in una modellazione; si possono riassumere le condizioni al contorno come le ipotesi della simulazione. È la fase più determinante per la riuscita dello studio: la definizione delle condizioni al contorno specifiche del progetto dovrà essere oggetto di uno studio dettagliato fin dall'inizio della missione.

Metodo di risoluzione

Selezione del modello di turbolenza

La nozione di modello di turbolenza è particolare in meccanica dei fluidi. Permette di catalogare le diverse strutture che coesistono in un flusso e di attribuire loro una certa importanza all'interno del flusso.

Studi comparativi dei modelli di turbolenza condotti da Combes [2000] hanno permesso di indicare il modello a due equazioni di trasporto k-ε come il più adatto ai flussi generalisti. È uno dei modelli più utilizzati, più performanti, più semplici e più ampiamente validati. k rappresenta l'energia cinetica turbolenta ed ε il tasso di dissipazione di questa energia cinetica turbolenta. Logicamente, lo utilizzeremo per la maggior parte delle simulazioni di fluidi in termo-aeraulica e in 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 delle equazioni di conservazione, il che richiede la suddivisione del dominio di calcolo in un numero di volumi finiti non contigui (la mesh). La risoluzione dello studio consiste nella risoluzione del sistema di equazioni non lineari di Navier-Stokes su server informatici dedicati alla CFD.

Visualizzazione dei risultati

Sintesi grafiche

Il flusso di un fluido in un volume è generalmente complesso e comporta numerosi ricircoli a bassa velocità, il che rende difficile la visualizzazione su piano. Rendiamo conto dei fenomeni più rilevanti tramite piani / sezioni di situazioni accompagnati da spiegazioni molto complete.

Disponiamo di un'ampia gamma di rappresentazioni (tubo di corrente, campo vettoriale, isosuperficie…) che permettono 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 in fisica e una conoscenza del prodotto analizzato per spiegare con precisione i diversi fenomeni.

Video di sintesi

In base alla nostra esperienza, per gli elementi più rilevanti, vengono realizzati video che riprendono le diverse viste del modello CFD in modo dinamico. La relazione tecnica può fare riferimento a questi video per facilitarne la lettura — alcuni fenomeni risultano poco comprensibili su piano.

Vantaggi e svantaggi della simulazione CFD

Queste problematiche sono nettamente ridotte grazie all'esperienza acquisita su numerosi progetti dagli ingegneri di EOLIOS. È importante realizzare questo tipo di studio con un team qualificato.

Quanto costa una simulazione CFD?

Siamo onesti: la CFD non è lo strumento di ingegneria più economico (rispetto a un'applicazione o a un foglio di calcolo CAD standard) data la sua complessità e le sue esigenze (esperienza, licenze, risorse di calcolo).

In compenso, i risultati che questo tipo di studio offre e il loro contributo a un processo di progettazione o di risoluzione dei problemi non possono essere paragonati a quelli ottenuti con strumenti più semplici.

La riduzione del tempo di progettazione, i risparmi di prototipazione e il miglioramento del processo o del prodotto compensano generalmente il costo della simulazione CFD. Proponiamo protocolli di missione adatti a ogni budget.