Progetta pompe e compressori più efficienti, grazie alla simulazione CFD

Nel mondo della progettazione di macchinari rotanti, le aziende si trovano spesso a fronteggiare sfide significative: gestire fenomeni complessi come la cavitazione e le turbolenze, migliorare l’efficienza aerodinamica delle pale e ottimizzare il raffreddamento dei componenti senza dover affrontare test fisici lunghi e costosi.

Inoltre, le dimensioni dei giranti e degli alloggiamenti possono variare enormemente, dai grandi impianti per turbine a gas fino a pochi millimetri per le micro pompe ematiche.

I fluidi trasportati possono presentare proprietà sfidanti: alcuni fluidi contengono sostanze chimiche aggressive, altri sono costituiti da gas ad alta temperatura, altri ancora hanno una viscosità che varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato. Talvolta, è necessario considerare flussi multifase, in cui vanno modellati cambi di fase o l’interazione tra fluido e particelle solide.

Applicazioni mediche, come le pompe ematiche o i dispositivi respiratori, devono rispettare rigorosi standard normativi, mentre il settore food & beverage richiede elevati standard igienici. Infine, vi sono sempre requisiti di sicurezza da rispettare per garantire l’affidabilità operativa.

Tradizionalmente, proprio per gestire tutte queste sfide tecniche, la progettazione di pompe, ventilatori e compressori si basata su un approccio iterativo che coinvolge test sperimentali, prototipi fisici e aggiustamenti progressivi.

Ma questo metodo, seppur efficace, comporta alti costi e tempi di sviluppo prolungati. La simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) cambia le regole del gioco, permettendo di validare i progetti virtualmente prima di costruire un prototipo fisico.

Casi pratici: ottimizzazione di pompe e compressori con la simulazione CFD

1. Gestione della cavitazione in una pompa a induzione

Uno dei problemi più comuni nella progettazione delle pompe è la cavitazione, che si verifica quando la pressione statica del flusso scende al di sotto della pressione di vapore del fluido, formando bolle di gas. Queste bolle, trasportate dal flusso, collassano in zone di pressione più alta, causando effetti indesiderati come rumore, vibrazioni e danni strutturali.

Un esempio concreto di gestione della cavitazione con l’ausilio della simulazione CFD è il lavoro di MORFO (Morfo Design Srl), una startup e spin-off dell’Università di Firenze specializzata nello sviluppo aerodinamico delle turbomacchine. MORFO ha integrato strumenti parametrici e di ottimizzazione con Simcenter STAR-CCM+ per migliorare l’efficienza delle pompe a induzione.

Il modello mostrato è un induttore palettato, progettato per aumentare la pressione del fluido criogenico riducendo i problemi di cavitazione, che si verificano a causa delle condizioni termodinamiche dell’ingresso (bassa pressione rispetto alla temperatura). Grazie a una parametrizzazione avanzata realizzata con Papillon, un’interfaccia grafica sviluppata internamente da MORFO, è stato possibile ottimizzare il design.

Con Simcenter STAR-CCM+, è stata eseguita una simulazione CFD dettagliata per analizzare fenomeni complessi come: ✔ Il cambiamento di fase e la formazione di bolle di gas. ✔ Il trasporto delle bolle attraverso il fluido. ✔ L’interazione tra il fluido e le superfici solide del dispositivo.

L’obiettivo dello sviluppo era mantenere una portata costante e determinare la pressione di ingresso più bassa possibile, senza compromettere le prestazioni in termini di rapporto di compressione. Grazie alla simulazione CFD, è stato possibile migliorare significativamente la qualità complessiva della pompa, riducendo i problemi legati alla cavitazione e aumentando l’efficienza operativa.

2. Gestione di fluidi specializzati: CFD per pompe ematiche

Un altro ambito in cui il comportamento del flusso è cruciale è quello dei dispositivi medici. Le pompe sono essenziali in molte applicazioni sanitarie, come le macchine di supporto vitale utilizzate per mantenere la circolazione sanguigna in situazioni di emergenza o durante interventi chirurgici, nelle macchine ECMO (ossigenazione extracorporea a membrana), e nelle pompe per dialisi o infusione.

Per le pompe ematiche, è fondamentale garantire un funzionamento che preservi l’integrità del sangue, riducendo il rischio di emolisi (distruzione dei globuli rossi) e trombogenicità (formazione di coaguli).

Questo può essere ottenuto con l’ausilio della simulazione CFD 3D, che consente di: ✔ Limitare gli stress di taglio nel fluido per prevenire la distruzione dei globuli rossi. ✔ Mantenere la temperatura del sangue al di sotto della temperatura corporea. ✔ Evitare zone di ristagno o ricircolo che potrebbero favorire la formazione di trombi.

Un esempio concreto è rappresentato da Terumo Corporation, che sviluppa tecnologie di nuova generazione, tra cui dispositivi diagnostici e terapeutici, terapie per la rigenerazione miocardica e soluzioni per mercati emergenti.

Terumo utilizza la CFD per progettare pompe ematiche per dispositivi chirurgici cardiovascolari.

L’introduzione di strumenti di esplorazione del design basati sulla CFD ha permesso di: ✔ Migliorare l’efficienza della progettazione delle pompe ematiche. ✔ Gestire variazioni nelle proprietà del sangue per garantire prestazioni costanti. ✔ Portare un design migliorato sul mercato in tempi più rapidi.

Pur non essendo un reparto specializzato in CAE, il team di sviluppo di Terumo ha utilizzato la CFD insieme a tecniche di ottimizzazione per rendere più efficiente il processo di sviluppo e ottenere un design superiore in minor tempo. Approfondisci il caso di Terumo, qui.

3. Analisi delle prestazioni di una pompa a doppia aspirazione

Un altro esempio significativo dell’uso della simulazione CFD è rappresentato dal lavoro di Mechanical Solutions Inc. (MSI) per l’analisi e l’ottimizzazione di una pompa a doppia aspirazione. MSI è stata incaricata di verificare se il design della pompa soddisfacesse i requisiti di prestazione richiesti dal cliente.

La pompa analizzata era un complesso design centrifugo con un ingresso superiore e uno splitter centrale per mitigare i carichi radiali. Il flusso veniva suddiviso in modo uniforme tra due sezioni della girante, con impeller identici su entrambi i lati della voluta. Grazie all’utilizzo di Simcenter STAR-CCM+, MSI ha potuto simulare dettagliatamente la fisica complessa della pompa, inclusi: ✔ La dinamica non stazionaria del flusso attraverso la girante. ✔ La cavitazione nelle zone critiche del flusso. ✔ Il comportamento del flusso all’ingresso e nella voluta.

4. Ottimizzazione delle prestazioni di un compressore multi-stadio ad alta velocità

Nella progettazione dei compressori, uno degli aspetti più critici è la gestione della portata e della pressione per evitare il fenomeno dello stallo e del pompaggio, che possono causare danni meccanici alle pale e ridurre drasticamente l’efficienza del compressore.

Un caso di riferimento è rappresentato dallo studio condotto presso l’Institute of Turbomachinery and Fluid Dynamics (TFD) dell’Università Leibniz di Hannover, dove è stato analizzato un compressore assiale a quattro stadi ad alta velocità.

La sfida principale in questo tipo di compressori è trovare il giusto equilibrio tra pressione e portata. Riducendo il flusso di massa a una determinata velocità di rotazione, il rapporto di pressione aumenta, ma se si supera un certo limite, il compressore entra in stallo, portando a instabilità nel flusso e potenziali danni strutturali.

Utilizzando la simulazione CFD con Simcenter STAR-CCM+, è stato possibile generare una Performance Map del compressore per identificare con precisione il punto di insorgenza dello stall. La funzione Smart Sweep del software ha facilitato l’analisi automatica del compressore, consentendo di:

✔ Evitare simulazioni inutili ottimizzando gli incrementi di pressione e flusso per individuare con precisione il punto critico.

✔ Ridurre il tempo di simulazione, riutilizzando i risultati precedenti per migliorare la convergenza e diminuire i costi computazionali.

✔ Ottenere una valutazione più accurata del limite di pompaggio, migliorando l’affidabilità del design.

Grazie a questa metodologia, il tempo necessario per generare una mappa di prestazioni completa del compressore è stato drasticamente ridotto, permettendo di esplorare rapidamente lo spazio di progettazione e prendere decisioni basate su più simulazioni ottimizzate.

Risultato: maggiore efficienza del compressore, riduzione dei rischi di stallo e pompaggio, e un processo di sviluppo più rapido e preciso.

Caso tratto dall’Articolo Siemens – Performance Map CFD – The Art of Clever Digging

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