ANSYS FLUENT Student 19 è uno dei software commercializzati dalla società ANSYS per la soluzione delle equazioni della fluidodinamica. Essa è una compagnia della Pennsylvania dedita allo sviluppo di software di analisi a elementi finiti utilizzati per simulare problemi di ingegneria. Il software crea modelli computerizzati di strutture, componenti elettronici o componenti di macchinari, per simulare forza, tenacità, elasticità, distribuzione della temperatura, elettromagnetismo, flusso del fluido e altri attributi. Per quanto riguarda la fluidodinamica computazionale esistono due possibilità all’interno del software: ANSYS CFX e ANSYS FLUENT. Nella seguente trattazione è stato usato il pacchetto di analisi fluidodinamica computazionale (CFD) FLUENT per via dei numerosi tutorial reperiti sul web.
A differenza di altri programmi CFD che utilizzano file batch, FLUENT possiede un’interfaccia grafica di facile utilizzo, programmi di CAD e Meshing affiliati che interagiscono direttamente con il solutore ed infine un programma di Post-Processing che permette di plottare grafici ed immagini nonché di creare animazioni.
Il software sfrutta un metodo a volumi finiti [Anderson 1995] e permette di impostare svariati modelli di turbolenza (come 𝑘𝑘 − 𝜀𝜀 e 𝑘𝑘 − 𝜔𝜔), impostare Wall Function desiderate, rugosità di parete, flussi di fase e scambi di calore insieme a numerose altre opzioni.
Nel manuale del software, reperibile anche in rete, è possibile trovare maggiori chiarimenti e dettagli relativi ai diversi solutori ed alle differenti strategie risolutive applicabili.
Creazione della Mesh
Al fine di risolvere un sistema di equazioni differenziali parziali serve una discretizzazione numerica dello spazio fisico: la soluzione numerica del campo di flusso verrà calcolato su un numero finito di punti. La disposizione di questi sono semplicemente chiamati griglia o mesh. La creazione di una griglia adeguata è molto importante in quanto la soluzione numerica
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dipenderà fortemente da come è stata generata e, nel peggiore dei casi, la soluzione potrebbe divergere. La convergenza della soluzione è quindi fortemente dipendente dalla creazione e dalla disposizione delle celle nella mesh. Questa è la ragione per cui la generazione della mesh è diventato un lavora a sé stante nella CFD. Esistono differenti metodologie per la creazione di una mesh appropriata per la soluzione di flusso attorno ad un profilo alare. Di seguito si descriveranno le metodologie standard in uso al giorno d’oggi [Knupp e Steinberg 1992].
Tipologia H
Uno dei classi approcci è il modello H. Esso ha concentrato le celle al bordo d’attacco ed uscita. Questa tipologia di mesh è di facile realizzazione ed è efficacie per profili biconvessi con bordo d’attacco e d’uscita aguzzi. Tuttavia, quando applicato a profili con bordo d’attacco curvo si crea un punto di discontinuità forte (figura 1). Questo problema può essere parzialmente risolto dividendo il punto di singolarità in due più deboli (figura 2). Ciò nonostante, esso fallisce nel catturare la curvatura del bordo d’attacco in maniera accurata e inoltro propaga lo strato limite in direzione trasversale. Oltre all'utilizzo eccessivo di punti e di celle con alto aspect-ratio, la concentrazione di
celle, sia parallele che perpendicolari nelle regioni in cui il flusso accelera, possono comportare significative riduzioni del passo temporale a causa delle condizioni CFL, con conseguente rallentamento della convergenza del risolutore.
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Tipologia C
Una variante migliorata della topologia di tipo H è il modello di tipo C, che cattura la curvatura del bordo d'attacco senza singolarità. Sebbene, il modello di tipo C eviti la propagazione dello strato limite a monte, non riesce a farlo nella parte di flusso a valle nel bordo d’uscita del profilo alare. In un certo senso, questa finezza a valle si rivela utile in quanto aiuta a catturare lo shear layer per solutori a bassi angoli di attacco.
In pratica, tuttavia, la maggior parte delle applicazioni del modello di tipo C non sfrutta l’allineamento delle linee della griglia lungo lo shear layer. Per trarre il massimo vantaggio
da questo modello, l'analisi CFD dovrebbe spostare continuamente le curve della griglia per allinearsi dinamicamente allo shear layer e ciò risulterebbe in una maggiore
conformità alla fisica del flusso. Questo tipo di mesh comporta uno spreco di punti della griglia a valle e non è efficiente (figura 3).
Tipologia O
La successiva strategia classica di meshing è il tipo O, che supera quasi gli svantaggi delle griglie di tipo H e C. Nel tipo O l'intero foglio della griglia è avvolto attorno al profilo alare senza alcuna propagazione dello strato limite nel campo. Questo aiuta a ottenere un conteggio delle celle ottimale, eliminando la propagazione ridondante delle celle come si vede nei modelli di tipo H e C.
Tuttavia, questo modello ha i suoi limiti intrinseci. Crea celle skewed per profili
aerodinamici con bordo d’uscita aguzzi. Le celle di griglia sulla superficie alare superiore si collegano direttamente alle celle sulla superficie inferiore del profilo alare attraverso la linea orizzontale che si propaga dal bordo d’uscita. Per un singolo passaggio da cella a cella, crea quasi una svolta a 360 gradi in un unico passaggio. Pertanto, ciascuna cella
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avrà un angolo leggermente inferiore a 180 gradi che non è esattamente di buona qualità.
Il livello di skewness creato in questi casi è accettabile per le griglie di Eulero, ma è
estremamente alto nelle griglie viscose. Punti singolari come il bordo di uscita sono fondamentali per calcoli CFD accurati. L'elevata skewness influenza la robustezza del
risolutore e anche la qualità delle soluzioni. Per questo motivo, molti preferiscono l’utilizzo di griglie di tipo C ed aver celle eccessive nella regione della scia.
Mesh strutturate e non strutturate
Le griglie strutturate sono identificate da una regolare connettività. Le possibili scelte degli elementi sono quadrilateri in 2D e esaedri in 3D. Questa tipologia è altamente efficiente dal punto di vista dello spazio e dalla convergenza della soluzione, tuttavia presenta l’inconveniente di non rappresentare con accuratezza geometrie complicate.
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Una griglia non strutturata è identificata da una connettività irregolare. Non può essere facilmente espressa come matrice bidimensionale o tridimensionale nella memoria del computer. Rispetto alle mesh strutturate, questo modello può essere altamente inefficiente dal punto di vista dello spazio, poiché richiede l'archiviazione esplicita delle relazioni di vicinato. In questa tipologia di griglie di solito sono utilizzati elementi come triangoli in 2D e tetraedri in 3D. Il vantaggio di mesh non strutturate è che si può rappresentare con accuratezza qualsiasi tipo di geometria, anche quelle più complicate.
Figura 13: Mesh strutturata composta da quadrilateri
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