Che cos'è la fluidodinamica computazionale?

Con il termine fluidodinamica computazionale (CFD) ci si riferisce alla simulazione e all'analisi eseguita con un software di progettazione assistita da computer (CAD) per calcolare il flusso di un liquido o di un gas che fluisce all'interno o intorno a un prodotto.

Si tratta di una soluzione multifisica poiché prevede l'interazione di più fenomeni, tra cui la fluidodinamica, la termodinamica e la legge di conservazione della quantità di moto. Come nell'analisi a elementi finiti (FEA), il volume del fluido viene suddiviso in elementi più piccoli che vengono composti in una matrice. La CFD ha anche molti usi diversi dallo sviluppo di prodotti e dall'aerodinamica, come ad esempio le previsioni meteorologiche e gli effetti visivi.

Nello sviluppo dei prodotti, la fluidodinamica computazionale ci consente di progettare prodotti e sistemi che soddisfano i requisiti di flusso dei fluidi e di trasferimento del calore. Vediamo come funziona.

Funzionalità della fluidodinamica computazionale

Utilizzando un software di fluidodinamica computazionale, è possibile calcolare e visualizzare valori relativi ai fluidi, quali:

• Velocità e direzione delle particelle all'interno o all'esterno del modello;
• Temperatura;
• Pressione;
• Vortici, che forniscono un'indicazione del moto rotatorio del fluido nell’ambiente.

Questi risultati possono essere calcolati e visualizzati (1) in punti specifici di un modello; (2) per il valore massimo o minimo su una superficie o un componente; o (3) in tutto il volume del fluido. Quando vengono visualizzati nel fluido, i risultati possono essere rappresentati come contorni di colore, particelle, campo di direzione o linee di flusso. Per facilitare ulteriormente la comprensione del comportamento e velocizzare i calcoli, i risultati possono essere visualizzati in corrispondenza di uno specifico piano di taglio.

Processo generale della fluidodinamica computazionale 

La fluidodinamica computazionale può essere eseguita effettuando le seguenti operazioni:

1. Iniziare con un modello. Prima di accedere al software di simulazione CFD, creare la parte o l'assieme 3D da analizzare. La struttura geometrica può essere nativa del software CAD o importata.
   
   
2. Definire il dominio fluido. Il liquido o il gas nella simulazione può essere interno, come l'acqua che scorre in un sistema di tubature, o esterno, come l'aria che scorre sulle superfici esterne di un veicolo. Definire la regione di volume e applicare le proprietà dei materiali al fluido, tra cui densità, viscosità, coefficiente di espansione termica, capacità termica specifica e conduttività termica.
   
   
3. Stabilire le condizioni al contorno. Rappresentano il movimento dei fluidi all'ingresso e all'uscita del modello di analisi. Il movimento del fluido può essere definito dalla velocità del flusso, dalla pressione in ingresso e in uscita e dalla portata massica. Per il flusso interno, ulteriori condizioni al contorno possono includere i vortici in ingresso (velocità con componenti sia normali che radiali), e movimenti rotatori per simulare i componenti in movimento e la gravità. Rilevano anche le condizioni termiche. Come condizioni al contorno possono essere utilizzate anche le temperature correlate alla geometria del modello. I carichi termici nel sistema possono essere definiti in funzione di scambio termico, flusso di calore, convezione e irraggiamento.
   
   
4. Eseguire l’analisi. Lo studio CFD può essere eseguito sia in condizioni transitorie, per vedere gli effetti sul flusso e sulla temperatura in funzione del tempo, sia in condizioni stazionarie, per vedere i risultati all'equilibrio.
   
   
5. Valutare i risultati. Come detto in precedenza, nel modello è possibile visualizzare graficamente una serie di grandezze per comprendere il comportamento del sistema.
   
   
6. Ottimizzare il sistema. L'analisi fluidodinamica computazionale si aggiorna in tempo reale con le modifiche apportate, fornendo un feedback immediato per migliorare il modello in base all'ambiente operativo.

Sviluppi recenti della fluidodinamica computazionale 

In passato la fluidodinamica computazionale era appannaggio di specialisti con anni di formazione ed esperienza nel settore. Negli ultimi anni, però, i progressi hanno permesso a progettisti e ingegneri di eseguire le proprie simulazioni CFD senza ricorrere all'aiuto degli esperti.

Inoltre, le simulazioni che prima richiedevano ore di calcolo, adesso possono essere eseguite in pochi minuti o addirittura secondi. I risultati in tempo reale delle simulazioni aiutano gli ingegneri a fare le scelte giuste per la realizzazione dei prodotti, anziché attendere la disponibilità di uno specialista dedicato.

La fluidodinamica computazionale può esservi utile?

Nel caso in cui progettiate veicoli o prodotti per i quali il comportamento di un fluido, ad esempio l’aria, è importante, dovreste valutare la possibilità di aggiungere la CFD alla suite degli strumenti che aiutano i vostri progettisti e ingegneri a dare il meglio nel loro lavoro.