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.
- 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.
- 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.
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:
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- 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.
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- 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.
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.
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Riduzione dei costi di sviluppo
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Anticipare i difetti
- Le incertezze sono state identificate in precedenza:
- I rischi vengono eliminati quando è possibile e più rapido apportare modifiche.
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Migliorare la qualità dei prodotti