Metodo CFD Fluidodinamica Computazionale
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Cinematica
Fluidodinamica Computazionale
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.
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
- ...
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.
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.
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.
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:
- liquido
- solido
- gas reale
- transitorio
- turbolento
- k-omega
- SST
- LES
- DES
Modello fluidodinamico computazionale della comprimibilità:
- incomprimibile
- esterni
- rotazionali (1 DOF)
- movimento prescritto (da 1 a 6 DOF)
- DFBI (denominazione che varia in base al software)
- Overset
- Harmonic balance
- convezione (naturale e forzata)
- irraggiamento
- trasferimento termico nei solidi
- trasferimento termico coniugato tra fluidi e solidi (CHT)
Modello fluidodinamico computazionale delle miscele di fluidi:
- fluidi multifase (presenza di fluidi e gas)
- fluidi con particelle in sospensione
- particelle sospese 2-way coupling
- particelle discrete (DEM)
Modello fluidodinamico computazionale della formulazione matematica delle fasi:
- calcolo lagrangiano
- calcolo misto euleriano-lagrangiano
- VOF
- condensazione
Modello fluidodinamico computazionale del regime fluido:
- regime transonico
- regime supersonico
Modello fluidodinamico computazionale dell'interazione fluido/solido:
- FSI 2-way coupling
- Moto prescritto del solido nel fluido
- Moto indotto del solido dal fluido
- non premiscelata
- parzialmente premiscelata
- EBU
- PPDF
- chimica complessa
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.