Skip to content

Che cos'è la meccanica fluida computazionale?

La fluidodinamica computazionale (CFD) è l’acronimo francese di Mécanique des Fluides Numérique (MFN). La CFD è un calcolo numerico applicato alla meccanica dei fluidi. Il software CFD consente di risolvere al computer le equazioni fondamentali della meccanica dei fluidi, che possono essere accoppiate alle equazioni di trasferimento del calore o di reazione chimica. Le simulazioni numeriche tengono conto di numerosi parametri, come il volume del fluido e le proprietà fisico-chimiche come il numero di Reynolds, la viscosità e il numero di Mach.

Con questa lezione di 8 minuti, scoprite le applicazioni della CFD nell’industria!

Meccanica dei fluidi: le basi

La meccanica dei fluidi è una disciplina fisica dedicata allo studio del comportamento dei fluidi : liquidi (considerati incomprimibili), gas (considerati comprimibili), o più raramente sotto forma di plasma. Si possono dividere in due categorie:
  • Statica dei fluidi (idrostatica): studio di un sistema a riposo. È stato l’inizio storico di questa disciplina, con lo studio della pressione e della spinta di Archimede.
  • Fluidodinamica: lo studio di un sistema in movimento.
Nella fluidodinamica, i fluidi si dividono in due categorie in base a una specifica caratteristica fisico-chimica: la loro viscosità. Corrisponde alla capacità del fluido di scorrere più o meno facilmente.
  • Fluidi newtoniani: comprendono l’acqua, l’aria e la maggior parte dei gas. La loro viscosità è costante e varia solo in funzione della temperatura.
  • Fluidi non newtoniani: tutti gli altri fluidi come sangue, gel, emulsioni, paste, ecc. La viscosità di questi fluidi varia non solo in funzione della temperatura, ma anche della velocità e delle sollecitazioni subite durante il flusso.
I gas e i liquidi vengono studiati applicando varie formule e teoremi specifici di questa disciplina:
  • legge fondamentale della statica dei fluidi ;
  • Equazione di Eulero ;
  • Teorema di Bernoulli e relazioni di Bernoulli ;
  • Equazioni di Navier-Stokes.
Dettagli del fluido perfetto
Un fluido perfetto è un fluido idealizzato (non esiste in natura) per facilitarne lo studio. Il suo movimento viene studiato senza tenere conto dei parametri di viscosità e conducibilità termica. A ciò si aggiunge l’ipotesi di conservazione della massa. Il fluido perfetto è un’approssimazione.

Meccanica dei fluidi computazionale

La meccanica dei fluidi computazionale è un’evoluzione della meccanica dei fluidi classica in cui l’analisi numerica viene utilizzata per visualizzare e studiare il comportamento dei fluidi in condizioni reali. Questa disciplina ha avuto un notevole sviluppo negli ultimi trent’anni ed è diventata essenziale in molti settori di attività. I metodi di simulazione numerica sono applicati alla meccanica dei fluidi per scopi analitici: come complemento agli esperimenti fisici, ma anche per scopi predittivi. Il Software di simulazione CFD sono ampiamente utilizzati e stanno diventando essenziali per i produttori. Essi facilitano agli ingegneri la comprensione dei fenomeni fisici su modelli simulati prima di effettuare test sperimentali su modelli fisici… Visita Software CFD prevedere le prestazioni di sistemi complessi prima dell’installazione di un’infrastruttura o dell’utilizzo di un prodotto, per limitare i guasti che potrebbero essere dannosi dal punto di vista della sicurezza. Durante le fasi di test, il calcolo numerico viene effettuato utilizzando parametri provenienti da condizioni d’uso reali. Gli ingegneri progettisti modificano i dati fino a ottenere i modelli corretti. Si possono studiare diversi progetti alternativi prima di convalidare la soluzione finale e passare alla fase di produzione. In generale, la meccanica computazionale dei fluidi risponde a due grandi sfide per le aziende:
  • Risolvere problemi sempre più complessi, a causa dei fenomeni fisici coinvolti.
  • Migliorare l’efficienza della soluzione dei problemi: migliorando i tempi di calcolo, ma anche la qualità dei risultati ottenuti.
  • Ridurre il numero di prototipi (prototipi digitali).
 

Ulteriori informazioni: la reologia come estensione della meccanica dei fluidi

La reologia è una scienza che studia la deformazione e il flusso della materia. In particolare, lo studio del comportamento meccanico della materia: relazioni tra sollecitazioni e deformazioni. La reologia è una branca della meccanica che mette in relazione la viscosità, la plasticità e l’elasticità della materia. Questa disciplina richiede quindi la conoscenza della resistenza dei materiali (RDM) e dell’idraulica per eseguire calcoli pratici. Gli studi di reologia si articolano su tre livelli:
  • ricerca sperimentale sui materiali ;
  • studio teorico basato sulle leggi di comportamento di questi materiali;
  • studio, su scala microscopica, dell’influenza della struttura sul comportamento della materia: geometria, maglie, ecc.
La meccanica dei fluidi può essere inclusa nella reologia.

Applicazioni della CFD in ingegneria

Gli strumenti CFD vengono utilizzati già nella fase di progettazione del prodotto per convalidare la fattibilità di un modello fisico. La meccanica dei fluidi computazionale è particolarmente adatta a prevedere le prestazioni di applicazioni per le quali è difficile effettuare misure sperimentali.

A seconda del software CFD, è possibile accedere a una serie di funzioni, in base alle proprie esigenze:

  • trasferimento di calore ;
  • stato stazionario (stabile) e transitorio (variabile nel tempo) ;
  • perdite di pressione ;
  • modelli di turbolenza ;
  • analisi aerodinamica ;
  • movimenti di parti mobili o rotanti ;
  • interazioni dei fluidi con una struttura ;
  • flussi multifase (diverse fasi liquide, solide o gassose coesistono e interagiscono);
  • reazione chimica ;
  • tracciamento delle particelle ;
  • solidificazione o fusione…

Dopo le idee progettuali, l’obiettivo di un’industria è quello di commercializzare rapidamente prodotti ad alto valore aggiunto che soddisfino la domanda del mercato. Anticipare gli scenari di guasto e le prestazioni insoddisfacenti è uno dei fattori chiave di successo nello sviluppo di una nuova soluzione industriale. I CFD sono molto utili per qualsiasi industria che voglia minimizzare i rischi potenziali prima che un prodotto venga immesso sul mercato.

Ecco alcune applicazioni industriali concrete della modellazione numerica dei fenomeni termofluidici:

    • Automotive: impianto di climatizzazione, gas di scarico, aerodinamica del veicolo, cambio, sistema di raffreddamento del motore, ecc.
    • Aerospaziale e difesa: aerodinamica dei veicoli aerei (flussi fluidi subsonici e supersonici).
    • Elettronica: analisi termica di circuiti stampati, raffreddamento di sistemi, LED, ecc.
  • Energia: nucleare, eolica, recupero dell’energia persa, solare, ecc.
  • Navale: studi sulla cavitazione (creazione di bolle in un liquido sottoposto a pressione negativa), progettazione di eliche, ecc.
    • Industria: pompe, turbocompressori, ventilatori, turbine a gas o a vapore, ecc.
  • Diversi beni di consumo: acustica per edifici o oggetti, frigoriferi, caschi da moto, ecc.

Fluidodinamica computazionale CFD: vantaggi per le aziende produttrici

Come abbiamo già visto, l’uso della CFD è vantaggioso nei casi in cui il comportamento del sistema fisico oggetto di studionon può essere simulato con calcoli convenzionali. La fluidodinamica computazionalenon solo facilita la comprensione dei collaboratori del progetto, ma è anche un mezzo per comunicare le conoscenze ai non esperti. Potete quindi utilizzare questo metodo per presentare più facilmente uno dei vostri progetti ai clienti o agli investitori.

  • Riduzione dei costi di sviluppo

La modellazione numerica dei fluidi in un sistema CAD (Computer-Aided Design) riduce i costi di prototipazione. Il collegamento tra il CAD 3D e il software CFD facilita la rapida iterazione e ottimizzazione dei progetti. In questo modo si riducono i costi di ricerca e sviluppo, i costi di manodopera, ecc.

  • Anticipare i difetti

La simulazione numerica aiuta ad anticipare/prevedere il comportamento/il funzionamento di un sistema, in modo da poter selezionare i concetti più promettenti in una fase iniziale del processo di progettazione. In un certo senso, visualizza l’invisibile: gli ingegneri hanno a disposizione più informazioni di quante ne avrebbero con un modello fisico. Lo studio numerico degli scenari facilita la previsione del funzionamento degli elementi chiave della progettazione in una fase iniziale. In questo modo si riducono i rischi che permarrebbero nelle fasi successive, dove una modifica del progetto sarebbe più costosa. Grazie alla sua implementazione fin dall’inizio del processo di progettazione, i risultati sono il più possibile vicini all’intenzione progettuale iniziale:
  • Le incertezze sono state identificate in precedenza:
  • I rischi vengono eliminati quando è possibile e più rapido apportare modifiche.

  • Migliorare la qualità dei prodotti

Questa è la conseguenza dei profitti precedenti. Studiando i fenomeni della meccanica dei fluidi a monte durante la progettazione di un prodotto o di una soluzione, le prestazioni finali saranno migliorate. L’integrazione della CFD nel processo di progettazione vi consentirà di migliorare la qualità finale dei vostri servizi. Questo migliora la soddisfazione dei clienti e ha un impatto positivo sulle vendite. La meccanica dei fluidi computazionale viene utilizzata nelle applicazioni industriali per aiutare i progettisti a sviluppare soluzioni e prodotti. Il software CFD viene utilizzato dai produttori nelle prime fasi di sviluppo del prodotto: è un vero e proprio strumento di creatività e di esplorazione dei sistemi. La prototipazione virtuale è spesso accompagnata da prototipi fisici che esistono non solo per testare, ma per convalidare le previsioni. La CFD è una soluzione per avvicinarsi alla progettazione industriale ottimale.
Facebook-f Twitter Dribbble Instagram