Università degli studi di Pisa Codice di calcolo
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CODICE DI CALCOLO
Per rappresentare il modello fluidodinamico, la CFD utilizza codici di calcolo basati sulle equazioni di Navier-Stokes, risolte con approcci di diverso tipo legati alla rappresentazione della turbolenza. Un metodo largamente utilizzato è quello basato sulle RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes equations) in cui le equazioni vengono mediate; cioè per ogni quantità fisica si pone: X(x, y,z, t) = X (x, y,z) + X'(x, y,z, t). In questo modo però si aggiungono ulteriori incognite al problema originale che devono essere risolte introducendo un opportuno modello di turbolenza che fornisce le nuove informazioni. Si osserva come le RANS costituiscano un sistema di equazioni differenziali (o integrali, a seconda della formulazione) non lineari ed alle derivate parziali per cui non è possibile avere in generale una soluzione in forma chiusa; questo suggerisce che la soluzione deve essere raggiunta per iterazioni successive, ed in questo, l’utilizzo del calcolatore, con l’aumentare delle potenze di calcolo, promette sempre migliori risultati.
I solutori CFD risolvono le equazioni all’interno di un volume di calcolo finito che viene suddiviso in un certo numero di volumi elementari, detti celle ed aventi varie forme; il volume di calcolo così suddiviso è detto mesh. Il processo di lavoro che porta ad una soluzione tramite CFD è abbastanza standard e comprende quattro livelli fondamentali:
• Creazione della geometria al cad: in questa fase, oltre a creare la geometria vera e propria, che può derivare anche da altri processi produttivi, si deve provvedere a creare il dominio, cioè la porzione di spazio in cui è presente il fluido; bisogna inoltre “ripulire” il modello da eventuali parti non significative o che potrebbero creare problemi al solutore;
• Preprocessing: comprende, la creazione della mesh a partire dalla geometria, l’impostazione dei parametri del solutore, l’impostazione dei parametri di convergenza, la preparazione e il settaggio di quanto richiesto dal programma per poter effettuare la simulazione;
• Simulazione: è la fase di risoluzione del modello creato, l’operatore può fare ben poco se non aspettare che il software faccia il suo lavoro;
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8 • Postprocessing: è l’insieme di tutti gli strumenti e le operazioni atte ad analizzare la
soluzione ottenuta; possono essere grafici, numeri, immagini, filmati, etc. Tutti i mezzi che il software può dare per “vedere” e valutare la soluzione.
Uno schema generale può essere il seguente:
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9 I software CFD possono integrare tutti questi componenti oppure possono adempiere solo ad uno o alcune parti, ma per una analisi completa devono sempre essere eseguite tutte le fasi. In più possiamo considerare un’ulteriore step che è l’analisi dei dati da parte dell’operatore; fondamentale per la buona riuscita di tutto il processo.
Il pregio più grande della CFD è quello di dare la possibilità di analizzare in modo veloce ed economico una grande quantità di configurazioni, caratteristica questa, molto apprezzata nel mondo dell’industria. I limiti più grandi sono invece, le restrizioni sulle potenze di calcolo, comunque sempre in evoluzione, e la preparazione degli operatori che si trovano a dover settare una quantità molto elevata di parametri ed a valutare i risultati ricchi di informazioni che si ottengono; questo fattore introduce un errore intrinseco di tipo BIAS non facilmente eliminabile e riducibile solo attraverso una larga esperienza nell’utilizzo di questo strumento; questo è uno degli scopi di questo lavoro [9].
