In italiano Computational Fluid Dynamics si traduce in Fluidodinamica Computazionale o Numerica.
Cosa è la Fluidodinamica Computazionale?
La Fluidodinamica computazionale o numerica è la tecnica che permette lo studio dei problemi di fluidodinamica mediante l'utilizzo del computer. Viene utilizzata nell'industria e nella ricerca per lo studio e l'ottimizzazione di manufatti il cui funzionamento è associato all'azione di fluidi. Ecco tipici esempi industriali in cui il fluido è determinante per il funzionamento del prodotto: turbine, pompe, ventilatori, filtri, valvole.
Da tempo la tecnica CFD è diventata ormai sinonimo di Software CFD. Il principale compito di un software CFD è quello di risolvere le equazioni di Navier-Stokes e altre equazioni ad esse collegate, la cui soluzione per via analitica è possibile solo nel limitatissimo ambito di flusso laminare e di geometria semplice ovvero sfera o lastra piana. Sfortunatamente, queste limitazioni sono troppo forti per pensare di utilizzare la soluzione analitica in applicazioni industriali pratiche che in genere sono contraddistinte da flusso turbolento e geometria complessa.
Perché a volte si parla di Termo-fluidodinamica Computazionale?
Perché è il caso più generico. Infatti in molti casi pratici non è possibile considerare una costante la temperatura nel dominio di calcolo e nel tempo. Si pensi al caso degli scambiatori di calore in cui abbiamo un fluido in movimento che oltre a muoversi scambia energia sotto forma di calore con i corpi che lambisce.
Processo tipico di una analisi CFD
Similarmente ad altre analisi numeriche (ad esempio, l'analisi FEM o agli elementi finiti) e fatte salve le dovute eccezioni, l'analisi CFD può essere spiegata come la seguente sequenza:
- definizione della geometria (o dominio) da analizzare - la geometria è un dato di ingresso del problema e sempre più spesso la geometria viene fornita nella forma di un file CAD 3D
- discretizzazione della suddetta geometria ovvero la trasformazione della geometria complessa di cui al passo precedente nell'unione di un numero sufficientemente elevato di geometrie semplici dette celle di calcolo o elementi di calcolo
- definizione del modelli fisico e del modello numerico - in pratica si tratta di definire le equazioni che governano il funzionamento del sistema (equazioni di moto, equazioni di energia, equazioni di specie, ...) e di definire gli algoritmi più adatti
- definizione delle condizioni al contorno (boundary conditions) nel caso di problemi stazionari o nel dominio del tempo
- definizione delle condizioni iniziali solo nel caso di problemi nel dominio del tempo
- lancio del calcolo che in genere viene interrotto quando vengono soddisfatti il/i criterio/i di convergenza dei risultati
- visualizzazione dei risultati
- analisi dei risultati e preparazione del report di calcolo
Spesso l'analisi dei risultati può suggerire idee di modifica della geometria - con la geometria modificata si ritorna al passo 1, generando in questo modo un processo iterativo che dovrebbe condurre verso l'ottenimento di un prodotto caratterizzato da un comportamento fluidodinamico ottimizzato.
A supporto delle sopra elencate fasi, i software CFD sono generalmente pacchetti composti da:
- un Preprocessore (per completare le fasi da 1 a 5)
- un Solver (per la fase 6)
- un Postprocessore (per le fasi 7 e 8)
Campi di applicazione per i sistemi software CFD
La (termo)fluidodinamica computazionale ovvero i sistemi software CFD trovano applicazioni in vari settori - eccone alcuni esempi:
- ingegneria industriale (ventilatori, pompe, turbine, filtri)
- ingegneria chimica (reattori chimici, separatori)
- ingegneria navale (flusso attorno allo scafo, eliche e altri sistemi di propulsione)
- ingegneria aeronautica e aerospaziale (profili alari, flusso attorno ad aerei ed altri aeromobili)
- ingegneria ambientale (formazione di uragani, dispersione di inquinanti, studio delle correnti oceaniche)
- ingegneria biomedicale (flusso d'aria nei polmoni, flusso del sangue in vene, valvole e arterie, protesi vascolari e valvolari, sistemi di dialisi, bioreattori)
Anche se non è stato citato negli esempi sopra riportati, quando un il funzionamento di un sistema è in riconducibile al flusso di un fluido, in questo caso i sistemi software CFD possono aiutare a
- ridurre il costo per prototipi
- analizzare un numero maggiore di configurazioni
- ridurre i tempi di sviluppo
- rilasciare un prodotto caratterizzato da performance superiori
Per molti ma non per tutti.
La simulazione CFD è una tecnica complessa. L'esperienza conferma che bisogna diffidare da un approccio semplicistico - personale qualificato ed un buon software CFD, sono condizioni necessarie per ottenere risultati affidabili da un calcolo CFD.
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