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: 

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. definizione delle condizioni al contorno (boundary conditions) nel caso di problemi stazionari o nel dominio del tempo
  5. definizione delle condizioni iniziali solo nel caso di problemi nel dominio del tempo
  6. lancio del calcolo che in genere viene interrotto quando vengono soddisfatti il/i criterio/i di convergenza dei risultati
  7. visualizzazione dei risultati
  8. 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.

Per saperne di più

Se questa introduzione ti ha portato a pensare che il software CFD può aiutarti, non esitare a cliccare su Prodotti Contatti.