La CFD riunisce diversi metodi numerici per modellare il flusso di fluidi come liquidi, gas e altre sostanze complesse. Consente di studiare ambienti specifici, come i flussi intorno o all’interno di un oggetto, tenendo conto delle interazioni fluido-struttura, del trasferimento di calore, della termoidraulica, dei flussi laminari, turbolenti e reattivi, nonché di altri fenomeni come la microfluidica, i flussi viscosi, i metalli liquidi, gli elettroliti, i flussi bifase, i flussi multifase e l’aerodinamica.
Lo studio e la padronanza dei flussi, dei trasferimenti di calore e della cinetica ad essi associata costituiscono un patrimonio inestimabile per un team di progetto, sia che si tratti della creazione di un nuovo processo, della riprogettazione di un sistema esistente o della sua ottimizzazione.
Oggi la CFD è essenziale per ottimizzare il consumo energetico, più che mai necessario per controllare i costi.
Sono ampiamente utilizzati per studiare il comportamento dei fluidi, come aria, acqua o gas, in sistemi fisici reali. Perché la CFD è una risorsa per i vostri progetti di R&S e innovazione? Perché permette di :
Comprendere il comportamento dei fluidi in sistemi complessi
Ad esempio, può aiutare a prevedere il modo in cui l’aria circola in un edificio, nelle sale server, nei parcheggi a ventilazione naturale all’interno di un eco-distretto, nel raffreddamento mirato, in ……
Valutazione delle prestazioni del sistema
La simulazione CFD può essere utilizzata per valutare le prestazioni di diversi sistemi in base alla loro progettazione, dimensione o forma.
Ad esempio, può essere utilizzato per valutare l’aerodinamica di un’automobile, le prestazioni di una turbina o di un aerogeneratore, l’attrito dell’aria nel caso di un orologio…
Ottimizzazione della progettazione del sistema
Testate rapidamente diversi progetti di sistema per determinare la configurazione migliore per una determinata applicazione.
Ad esempio, può aiutare a ottimizzare la progettazione dell’ala di un aereo per ridurre la resistenza aerodinamica, la progettazione di una pompa per migliorarne l’efficienza, l’accoppiamento di pompe e ugelli, ecc.
Ridurre i costi di sviluppo e il time-to-market
La prototipazione digitale con simulazione CFD sostituisce le lunghe e costose campagne di test, che in genere comprendono numerosi cicli di produzione, collaudo, interpretazione e modifica dei prototipi. In questo modo è possibile studiare in modo efficiente la progettazione dei condotti di raffreddamento, ottimizzare le prestazioni degli scambiatori di calore, ottimizzare l’aerodinamica dei veicoli o le prestazioni delle pompe.
In ogni fase del progetto, i nostri team lavoreranno con voi per :
- Definire il modello: specificare le condizioni al contorno e le proprietà del fluido e selezionare il tipo di modello appropriato per il sistema in esame.
- Modellare la geometria in modo che sia rappresentativa della situazione reale. Questa fase può comportare la creazione di un modello 3D della geometria o l’importazione di un modello esistente.
- Meshing: è una fase importante per l’accuratezza della simulazione. La maglia deve essere abbastanza fine da catturare i dettagli importanti della geometria, ma non troppo per evitare lunghi tempi di calcolo.
- Definire le condizioni iniziali e al contorno del modello. Questo può includere la temperatura, la pressione, la velocità, ecc.
- Risoluzione delle equazioni: Le equazioni della fluidodinamica vengono risolte numericamente per determinare i campi di velocità, pressione, temperatura, ecc.
- Analizzare i risultati per comprendere il comportamento dei fluidi nel sistema e prendere le decisioni appropriate per convalidare la progettazione e le procedure operative, pianificare e anticipare le operazioni di manutenzione, ecc.
- Controllare e convalidare i risultati: per garantire che la simulazione sia accurata e rappresenti la situazione reale, e per arricchire il modello che può poi essere trasferito ai vostri team. Ciò può includere il confronto dei risultati della simulazione con i dati sperimentali.
I principali elementi analizzati sono :
- Flussi di fluidi: spostamenti nel sistema, velocità e direzioni.
- Pressione: per capire come il fluido interagisce con le superfici solide del sistema.
- Temperatura: per capire come il calore si diffonde attraverso il sistema, come nel caso di casse che ospitano componenti elettronici sottoposti a condizioni estreme.
- Turbolenza: le simulazioni CFD possono anche aiutare a prevedere e quantificare gli effetti della turbolenza, cioè i movimenti caotici del fluido.
- Scambio di calore: le simulazioni CFD possono essere utilizzate per comprendere lo scambio di calore tra il fluido e le superfici solide del sistema.
Esistono molti pacchetti software CFD (Computational Fluid Dynamics), ognuno con i propri vantaggi e svantaggi. Ecco un elenco non esaustivo di alcuni dei software più diffusi:
ANSYS Fluent, Comsol Multiphysics, STAR-CCM+ :
Questi sono i “solutori” CFD commerciali più utilizzati per simulare i fluidi, il trasferimento di calore e di massa, ad esempio per analizzare i movimenti delle particelle. Le loro applicazioni spaziano dall’aerodinamica dei veicoli e dalla simulazione della combustione agli effetti elettromagnetici nei fluidi conduttivi (elettroliti, metalli liquidi, sali fusi, ecc.). La loro versatilità e facilità d’uso li rende particolarmente adatti all’implementazione efficiente di un’ampia gamma di studi.
OpenFOAM, SU2 :
Questi strumenti sono la controparte “libera” dei solutori commerciali descritti nella sezione precedente. Questi pacchetti software open-source richiedono una maggiore esperienza per essere utilizzati in modo efficace, ma consentono di limitare i costi di licenza, di modificare i solutori e di eseguire calcoli più pesanti.
(Open)Modelica, Dymola, ECOSIM PRO :
Consente la rappresentazione 0D/1D di un loop o di un sistema completo che comprende, ma non solo, l’idraulica (portate, perdite di carico), la termica, i sistemi di controllo, l’acustica, ecc.
Ad esempio, per studiare gli scudi termici di un impianto di fusione, per esplorare le strategie di installazione delle reti di aria compressa, per ottimizzare la ventilazione degli edifici o il funzionamento di un reattore a metallo liquido.
Esempi di progetti:
Raffreddamento dei bersagli di radionuclidi :
Applicazioni mediche come le scansioni PET richiedono la produzione di traccianti radioattivi a vita breve direttamente negli ospedali. Questi radionuclidi sono generati da potenti acceleratori di particelle che inviano il loro fascio a bersagli compatti, che devono sopportare un elevato carico termico. I nostri ingegneri combinano calcoli CFD e simulazioni Monte Carlo per ottenere il carico termico e consentirvi di ottenere vantaggi in termini di compattezza, caduta di pressione, efficienza energetica e di raffreddamento.
Ventilazione naturale :
In un momento in cui le preoccupazioni ambientali rivestono un ruolo sempre più importante nell’industria edilizia, la CFD consente di offrire alternative ecologiche alla ventilazione meccanica tradizionale. Ottimizzando la loro ventilazione, le nostre simulazioni vi permettono di garantire che i vostri parcheggi, uffici open space e altri spazi chiusi soddisfino gli standard più recenti e rispettino i limiti di concentrazione degli inquinanti. In questo modo è possibile ridurre al minimo o addirittura eliminare la necessità di ventilazione meccanica. Ad esempio, i nostri ingegneri possono aiutarvi a convalidare i parcheggi a ventilazione naturale in conformità con la norma SICC VA103-01.
Aerosol :
Che siano prodotti dall’uomo o dalla natura, gli aerosol sono al centro di molti problemi: il controllo dell’inquinamento da polveri sottili nell’industria automobilistica, l’intasamento dei sistemi di filtrazione o la manipolazione delle polveri nell’industria farmaceutica. Grazie alla loro esperienza nella CFD multifase, gli esperti DAES vi supporteranno nella progettazione e nell’implementazione delle vostre soluzioni innovative.
Flussi bifase :
Tenere conto del fenomeno dell’ebollizione nello sviluppo di prodotti soggetti a carichi termici elevati è un processo complesso e variegato, e i nostri ingegneri saranno in grado di supportarvi con studi analitici e numerici (CFD, sistemi) e le loro applicazioni pratiche per i vostri prodotti.
Metalli liquidi :
L’industria nucleare, e in particolare i suoi sviluppi più moderni (SMR, ADS, ITER), è un pioniere nell’uso di metalli liquidi e sali fusi come fluidi di trasferimento del calore e vettori di reazione. Gli ingegneri di DAES possono avvalersi dell’esperienza riconosciuta del proprio personale nel campo dell’innovazione nucleare e degli acceleratori (ITER, CERN, ESS, IRSN, PSI) per supportarvi nelle complesse problematiche relative a questi fluidi corrosivi e reattivi. Siamo in grado di modellare i complessi flussi magnetoidrodinamici derivanti dall’interazione di questi liquidi conduttivi con i campi magnetici circostanti.
Idrogeno :
La produzione di idrogeno come vettore energetico è un argomento di grande attualità, che coinvolge una fisica complessa all’intersezione di flussi bifase liquido-gas, elettrochimica, termodinamica e molto altro. Alla DAES, i nostri ingegneri utilizzano strumenti come la CFD e la modellazione di sistemi complessi che, combinati con la loro esperienza e le loro conoscenze scientifiche, consentono di sviluppare soluzioni innovative per la produzione e l’utilizzo dell’idrogeno.
Turbomacchine :
Stereotipo dell’ingegneria idraulica e componente di quasi tutte le apparecchiature che richiedono la circolazione di un fluido, le turbomacchine come le pompe e le turbine sono sistemi complessi il cui funzionamento dipende da una moltitudine di fenomeni fluidici, tra cui la turbolenza, la cavitazione e la lubrificazione. Utilizzando metodi numerici all’avanguardia, i nostri esperti di CFD vi supporteranno nella progettazione e nella valutazione dei vostri sistemi idraulici, aiutandovi a ottimizzarne le prestazioni.
