Fluidodinamica computazionale
La fluidodinamica computazionale (brevemente detta CFD, Computational Fluid Dynamics in inglese) è la tecnica che permette lo studio dei problemi di fluidodinamica mediante l'utilizzo del computer.
Viene utilizzata nel campo dell'industria e della ricerca per tutte le problematiche che coinvolgono l'azione di fluidi (forze aerodinamiche, motori, pompe, impianti chimici, comfort ambientale, ecc.). Esistono oggi numerosi software commerciali che risolvono in questa maniera le equazioni della fluidodinamica. Tra i più noti troviamo CFX, Fluent, KIVA, NUMECA, Phoenics, STAR-CD, STAR-CCM+, CFD++ ed altri open source come Code_Saturne.
La risoluzione diretta delle equazioni di Navier-Stokes è praticamente possibile solo in caso di flussi laminari, e per geometrie semplici (sfere, lastre piane). I flussi turbolenti incontrati nelle applicazioni reali richiedono l'ausilio di un modello di turbolenza e, a causa dell'elevato costo computazionale che essi comportano, necessitano di tecniche numeriche per la soluzione. In tal caso si utilizzano le equazioni di Navier-Stokes (formulazione RANS) in forma di Reynolds, che richiedono l'utilizzo di ulteriori equazioni (ad esempio il modello k-ε) di chiusura del problema. Un altro approccio consiste nel simulare solamente le strutture vorticose più grandi e modellizzare ciò che accade per le strutture vorticose più fini (formulazione LES).
In molti casi devono essere risolte anche altre equazioni contemporaneamente alle equazioni di Navier-Stokes e alle equazioni del modello di turbolenza. Esse possono comprendere quelle relative alla concentrazione di specie diverse (flusso multicomponente), di reazioni chimiche (flussi reagenti), irraggiamento termico, ecc.. Problemi più complessi richiedono la modellazione di ulteriori fenomenologie, come nel caso dei flussi bifase (ad esempio gas / liquido) o nel caso di fluidi non Newtoniani.
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[modifica] Metodi di discretizzazione
- Metodo ai volumi finiti: è l'approccio standard utilizzato nella maggior parte dei codici commerciali per la CFD. Le equazioni vengono risolte in un volume di controllo discreto (cella).
- Metodo agli elementi finiti: questo metodo (il cui acronimo inglese è FEM) è generalmente utilizzato nell'analisi strutturale, ma viene applicato a volte anche allo studio dei fluidi laddove i numeri di Reynolds siano dell'ordine delle decine di migliaia.
- Metodo alle differenze finite: è stato il primo adottato nell'ambito della fluidodinamica. Oggi viene comunque usato solo in alcuni codici specializzati.
[modifica] Procedura di analisi
L'approccio tipico richiede di discretizzare il dominio fluido in celle elementari così da ottenere una griglia di calcolo (anche detta mesh), sulla quale applicare dei metodi di risoluzione iterativi al fine di risolvere le equazioni di Navier-Stokes o le equazioni di Eulero.
Nei diversi approcci evidenziati la procedura di analisi risulta sempre, per grandi linee, simile:
- Viene definita la geometria (o dominio fisico) del problema da analizzare.
- Il volume occupato dal fluido viene discretizzato, cioè suddiviso in un gran numero di celle elementari generando una griglia di calcolo.
- Viene definito il modello fisico (ad esempio, le equazioni del moto + l'equazione dell'energia + le equazioni delle specie) e quindi quello numerico (metodo di discretizzazione delle equazioni, algoritmi per la risoluzione delle equazioni).
- Vengono definite le condizioni al contorno, ossia vengono specificate le proprietà del fluido nel dominio di calcolo. Per problemi dipendenti dal tempo devono essere specificate le condizioni iniziali.
- Vengono risolte le equazioni in maniera iterativa. Il calcolo viene interrotto una volta che sia stato raggiunto il grado di accuratezza desiderato.
- I risultati prodotti vengono visualizzati con un post-processore.
- Si effettua, infine, l'analisi dei risultati.
[modifica] Voci correlate
[modifica] Collegamenti esterni
- (EN) The Colorful Fluid Mixing Gallery
- (EN) http://www.cfd-online.com
- (EN) http://www.cfdreview.com
- (EN) http://www.cfdsource.com
