Simulazione CFD-3D: Cos’è e Qual è il suo Potenziale

Simulazione Fluidodinamica – una definizione

La CFD è un ramo della simulazione ingegneristica che utilizza metodi numerici per analizzare e risolvere problemi che coinvolgono i flussi di fluidi.

Creando modelli virtuali di sistemi fisici, la CFD consente agli ingegneri di prevedere e simulare il comportamento di liquidi e gas in scenari complessi. Questa tecnologia riduce la dipendenza dai test fisici e accelera il processo di progettazione.

 A cosa serve?

Risolvere dei problemi: La CFD aiuta ad identificare precocemente problemi legati a turbolenze indesiderate, resistenza e dissipazione del calore.

Che Fenomeni fisici puoi analizzare con la CFD-3D?

I calcoli CFD sono progettati per affrontare una vasta gamma di problemi legati ai fluidi, offrendo soluzioni personalizzate per diverse esigenze ingegneristiche. Alcuni dei principali calcoli CFD disponibili includono:

• Flusso incomprimibile e comprimibile: Per studiare il comportamento dei fluidi a diverse velocità e condizioni di pressione.
• Trasferimento di calore: Analisi di convezione, conduzione e radiazione per migliorare l’efficienza termica.
• Turbolenza: Modellazione di flussi complessi per comprendere gli effetti della turbolenza su prestazioni e stabilità.
• Multifase: Simulazioni che coinvolgono interazioni tra due o più fasi, come liquido-gas o solido-liquido.
• Reazioni chimiche: Analisi di processi chimici come combustione o miscelazione di fluidi reattivi.
• Flusso rotativo: Per applicazioni come pompe e turbine, dove il movimento rotatorio è cruciale.
• Interazione fluido-struttura: Analisi in cui il flusso di un fluido causa una deformazione del solido.

Come si imposta un calcolo CFD-3D

2. Generazione della mesh Una volta ripulite e aggiustata la geometria da simulare, si passa alla costruzione della griglia fluidodinamica e si suddivide il modello in elementi discreti, che costituiscono la base per il calcolo numerico. E’ importante che la mesh sia tanto “fine” da catturare gli elementi geometrici importanti, senza però eccedere – o si richia di cadere tempi di calcolo troppo lunghi. L’intervento dell’utente in questa fase, varia molto a seconda del tool utilizzato. Le software house stanno indirizzandosi verso una generazione automatica della mesh che richieda sempre meno il contributo dell’utente.

A seconda del software, le tipologie di mesh disponibili per l’utente sono molteplici (prismatiche, tetraedriche, poliedriche, etc.): la scelta è influenzata dall’applicazione. In alcuni casi può essere utile combinare diverse tipologie di meshing in uno stesso modello per massimizzare accuratezza ed efficienza di calcolo.

Grazie a un boundary layer mesher altamente affidabile e a un sistema di remeshing adattativo, il software STAR-CCM+ è in grado di generare griglie ottimizzate per qualsiasi tipo di geometria, garantendo risultati precisi anche nei casi più complessi. La cella poliedrica, che è stata introdotta proprio da STAR-CCM+ come tipologia di mesh, offre due vantaggi significativi: da un lato, la capacità di riempire automaticamente qualsiasi volume senza interventi manuali; dall’altro, una maggiore velocità di convergenza rispetto alle mesh non strutturate convenzionali. Inoltre, la mesh poliedrica può essere organizzata sia in modo strutturato che non strutturato: nelle zone principali del flusso, la griglia assume una configurazione cubica che viene poi adattata nelle aree di contatto con le superfici solide.

3. Impostazione dei parametri di simulazione: Si definiscono le condizioni al contorno, i materiali e i parametri numerici (tempo di simulazione, definizione modelli fisici da utilizzare).

4. Lancio del Calcolo e Tempi: Il software esegue il calcolo distribuendo i carichi di lavoro sui core del processore (processori multi-core), ottimizzando i tempi di elaborazione. Ormai diversi software sono in grado di gestire il lancio del calcolo su HPC (High Performance Computing) interni alla rete aziendale ma anche sul cloud. Sfruttare la parallelizzazione del calcolo è fondamentale per risolvere modelli molto grandi in tempi compatibili con le esigenze aziendali.

Per le PMI, per ridurre l’investimento iniziale, può rivelarsi utile appoggiarsi a soluzioni cloud e pay-per-use /on demand. 

Le prestazioni di calcolo e la scalabilità di STAR-CCM+ hanno un primato nel settore dei software CFD. La licenza “Power Session” di Star-CCM+, attiva la possibilità di lanciare il calcolo su un numero virtualmente illimitato di solutori.  

5. Analisi dei risultati: Una volta completata la simulazione, i dati vengono analizzati per trarre conclusioni sul comportamento del fluido e sull’efficacia del progetto. In ogni punto del dominio computazionale possono essere visualizzati i valori delle variabili più rilevanti, quali pressione, velocità e temperatura.

La possibilità di generare report ricchi di informazioni e visivamente chiari, facili condividere con colleghi e altri gruppi di lavoro, è una feature importante per un software CFD.

Perchè la CFD è preziosa per l’azienda

Sfruttando la CFD, le aziende acquisiscono una comprensione più profonda della dinamica dei fluidi, portando a uno sviluppo di prodotti più intelligente, veloce ed economico. Con la CFD, potrai: 

Ridurre i costi: Simulare, invece di testare i prototipi, consente di risparmiare risorse significative in termini di materiali e tempo.

Migliorare la precisione: Le tecniche di modellazione avanzata forniscono informazioni precise e puntuali su fenomeni complessi che riguardano i fluidi.

Favorire l’innovazione: Studiando virtualmente un maggior numero di configurazioni, i team possono sviluppare soluzioni all’avanguardia più rapidamente.

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Simcenter STAR-CCM+, software di Siemens, distribuito in Italia da BSIM, è riconosciuto come lo strumento CFD più evoluto disponibile sul mercato. Scopri di più sul software e quali tipi di calcoli potrai eseguire qui.