Lo studio scientifico della realtà avviene molto spesso con una semplificazione, che è l’adozione di un modello teorico più adatto a rappresentarla. Questo processo di astrazione, permette di ignorare gli aspetti secondari del problema, che di solito è complesso, per mettere in risalto gli aspetti salieti che si vogliono analizzare. Durante il processo di modellizzazione però, è necessario porre molta attenzione a non semplificare troppo il problema, per evitare di svincolarsi dalla realtà e venire meno all’attendibilità dei risultati. Ovviamente l’attendibilità dei risultati resta comunque relativa alla sua rappresentazione astratta, e non alla realtà, e quindi va presa come riferimento e punto di confronto, non come dato assoluto.
2.1 . LA STRUTTURA DEL PACCHETTO SOFTWARE CFX 14.5
Si ritiene utile introdurre brevemente le principali caratteristiche dell’insieme di programmi utilizzati per effettuare le verifiche fluidodinamiche.
Il Computational Fluid Dynamics (CFD) è uno strumento informatico che permette di effettuare simulazioni del comportamento dei domini fluidi tenendo conto delle condizioni di deflusso, col fine di prendere visione dell’effettivo comportamento di una macchina. Si tratta di un utile ed importante strumento d’ausilio per la progettazione. Il CFD garantisce una riduzione dei tempi di progettazione, essendo un’ottima alternativa alle prove di modelli in scala effettutate in laboratorio. Inoltre, tramite le verifiche fluidodinamiche, facilita l’ottimizzazione delle prestazioni di una macchina.
In particolare, il CFD utilizzato in questo lavoro di tesi, è il software CFX 14.5 della ANSYS Inc, specializzato appunto nelle simulazioni computazionali nel campo dell’ingegneria.
La struttura base in cui operano le principali “software houses”, è da considerarsi del tutto generale. In particolare, i componenti contenuti nel pacchetto CFX 14.5 sono:
- modellatore e meshatore (TurboGrid 14.5 ); - pre-processore (CFX-Pre 14.5);
2.1.1 . TurboGrid 14.5
Mediante questo programma vengono geometricamente costruiti in 3D i volumi fluidi da simulare. Questa geometria viene prima studiata in tutta la sua topologia, e poi viene riprodotta come mesh, ovvero viene ricreata come un insieme di griglie che occupando il volume della geometria di partenza, formano un insieme di nodi che fanno da base per applicare le formule di simulazione per il CFD.
A partire da delle coordinate 2D, TurboGrid 14.5 è in grado di costruire la geometria del volume fluido che si vuole analizzare, ma solo nel momento in cui all’interno di esso sia presente un profilo palare. Oppure, come per la girante, è possibile importare direttamente la geometria costruita con altri programmi appositi per la costruzione di pale, come BladeGen 14.5, da cui poter poi partire con lo studio della topology e infine con la meshatura. Nelle parti della macchina, in cui non erano presenti corpi palettati, si è utilizzato un modellatore e meshatore più generico, chiamato ICEM CFD 14.5, che fa comunque parte del pacchetto ANSYS Inc.
Le potenzialità di TurboGrid 14.5 come meshatore di corpi alettati, sono notevoli, dato che in automatico consente di creare delle mesh esaedriche di elevata qualità, agendo prima sui parametri di controllo della sua topologia, e poi manualmente sul posizionamento dei nodi della mesh. Il software ICED CFD 14.5 risulta invece molto più complicato e laborioso per la creazione della mesh, e in questo lavoro di tesi viene impiegato solamente per la costruzioni di alcuni condotti privi di palettature2.
Una volta costruita la mesh di ogni componente, ovvero predistributore, distributore e girante con TurboGrid 14.5, mentre raccordo e scarico con ICEM CFD 14.5, ogni file viene salvato in formato mesh, per essere importato del programma successivo, ovvero il CFX-Pre 14.5 .
2.1.2 . CFX-Pre 14.5
Le mesh dei volumi fluidi generate precedentemente con il software meshatore, possono essere assemblate con il pre-processore CFX-Pre 14.5 . Per garantire che ogni interfaccia combaci l’una con l’altra, il programma permette di effettuare moti rigidi di rotazione e traslazione dei volumi fluidi.
2 Per informazioni più dettagliate riguardo la costruzione di una mesh tramite i programmi TurboGrid e ICEM CFD 14.5, vedi “Appendice A”.
Il volume interno di ogni mesh viene nominato affinchè sia possibile poi definirne il ruolo (regime stazionionario o transiente, moto rotatorio o statico, tipo di fluido, pressione di riferimento, perdite ecc..). Lo stesso viene fatto per le superfici esterne delle mesh, per definire se siano semplicemente di contorno, o di interfaccia con un’altra superficie, con fluido uscente o entrante, o se siano un punto di collegamento per la ripetizione periodica del componente stesso.
Attraverso l’uso di espressioni, è possibile definire il tipo di analisi che si vuole effettuare ed eventualmente ricavarne delle equazioni, o monitorare determinati parametri3.
Infine è possibile stabilire i criteri di convergenza per decretare l’arresto della simulazione, attraverso il numero massimo di iterazioni, o attraverso il valore del residuo massimo. Quindi viene salvato un file che può essere letto dal programma successivo, per effettuare la simulazione.
2.1.3 . CFX-Solver Manager 14.5
Le equazioni di Navier-Stokes sono delle equazioni differenziali di secondo ordine che reggono il moto turbolento dei fluidi. In quanto equazioni differenziali alle derivate parziali, sono molto complesse e non esiste alcuna soluzione analitica generale, ma solo soluzioni in casi particolari ed estremamente semplificati. Grazie agli sviluppi dell’informatica e dell’elettronica, a queste equazioni è possibile fornire una soluzione numerica ben approssimata, e il CFX-Solver Manager 14.5 ne è un esempio concreto. Infatti questo programma risolve le citate equazioni, assegnando delle determinate condizioni al contorno, nei volumi specificati.
L’argomento risulta molto complesso, ma risulta comunque utile accennare brevemente il modo ti lavorare del CFX-Solver Manager 14.5 .
Ciò che compie questo programma, è una integrazione numerica, secondo la tecnica dei volumi finiti, delle equazioni di Navier-Stokes scritte in forma conservativa. Per tecnica dei volumi finiti si intende quando si suddivide una superficie in tante piccole aree, chiamate volumi di controllo, in cui poi le equazioni vengono risolte. Quindi il motivo per cui si costruiscono le mesh sulle geometrie in esame, è per semplificare con forme più semplici possibili, quei componenti con delle forme inizialmente più complesse. Un’ulteriore semplificazione si ottiene applicando il teorema della divergenza di Gauss alle equazioni di Navier-Stokes: così facendo si passa infatti da integrali di volume a integrali
di superficie. Quindi l’integrazione numerica è il metodo di risoluzione di queste equazioni, rese così semplificate. Queste infatti sono risolte in un numero finito di punti, che giacciono sulle superfici che compongono il volume preso in considerazione, ovvero la mesh. Ogni valore numerico delle variabili risultanti dall’integrazione viene memorizzato ai nodi, è tutto ciò è fattibile grazie all’ausilio di un potente calcolatore che è il programma stesso.
Una volta che il programma ha finito l’esecuzione, si ottiene un valore approssimato di ogni grandezza, computata per tutti i nodi del dominio fluido. Il risultato di questo lavoro, può essere visualizzato poi nel post-processore CFX-Post 14.5 .
2.1.4 . CFD-Post 14.5
Questo programma, come già anticipato, consente di visualizzare i risultati ottenuti. In particolare si possono ottenere delle superfici all’interno dei componenti in analisi, per plottare su di esse i valori di parametri dai quali si desidera ottenere informazioni utili per la descrizione del campo di moto. Il CFD-Post 14.5 consente inoltre di ottenere delle medie dei valori dei parametri da cui si vuole ottenere informazioni, direttamente in grafici cartesiani in fuzione della posizione del componente nel quale si vuole condurre l’analisi. Infine è possibile costruire delle tabelle con i valori numerici di variabili o di espressioni da monitorare4.
Tutto ciò rende CFD-Post 14.5 un programma estremamente completo, che va ben al di là di un semplice visualizzatore di risultati.