Modellizzazione e simulazione numerica sono diventati strumenti fondamentali per la progettazione e per la ricerca scientifica, al fianco di analisi teorica e sperimentale.

Lo sviluppo di tali tecniche ha aperto nuovi scenari per ciò che riguarda lo sviluppo di modelli matematici e fisici, l’analisi numerica, l’elaborazione e la visualizzazione dei dati.

La crescita esponenziale della potenza di calcolo e la continua diminuzione dei costi dell’hardware, nonché l’ottimizzazione sempre più spinta degli algoritmi numerici hanno avuto un enorme impatto sulla domanda di tecniche di simulazione sempre più raffinate.

In fluidodinamica questo approccio è stato applicato allo studio dei flussi turbolenti e dei fenomeni di trasporto ad essi associati (scambio termico, combustione, particle-tracking…)

Un aspetto cruciale nel campo della CFD è la modellizzazione: la turbolenza è un fenomeno intrinsecamente non-lineare, che implica una fisica multi-scala che, per essere simulata direttamente discretizzando tou court le equazioni di Navier-Stokes, richiede costi computazionali ben al di là di quelli disponibili attualmente e nel prossimo futuro; la simulazione numerica diretta (DNS) delle equazioni di Navier-Stokes è pertanto oggi utilizzata solo in ambito accademico come strumento di ricerca di alto livello e comunque utilizzabile solo a flussi a basso numero di Reynolds in geometrie semplici.

La Large Eddy Simulation (LES), simulazione diretta dei moti vorticosi di larga scala, è divenuta negli ultimi anni la nuova frontiera della ricerca industriale, pur essendo ancora oggi utilizzata solo per geometrie semplici a Reynolds moderati a causa degli elevati costi computazionali. La LES permette di studiare nel dettaglio la fisica dei moti turbolenti e dei fenomeni di scambio termico ad essi associati, ricostruendo buona parte del contenuto spettrale della turbolenza.

L’approccio industriale per eccellenza per ciò che riguarda la CFD applicata è l’Unsteady Reynolds- Averaged Navier-Stokes (URANS), che negli ultimi decenni è stata ampiamente utilizzata per migliorare le tecniche di progettazione in tutti i campi della fluidodinamica applicata.

L’URANS si basa su modelli di turbolenza e la modellazione è fondamentale al fine di ridurre i tempi di calcolo e di post-processing, ma è anche estremamente complessa e delicata: pacchetti industriali per la CFD contengono spesso modelli eccessivamente semplificati, adatti per una vasta gamma di applicazioni e computazionalmente robusti, sviluppati per risultare user-friendly.

DNS, LES, URANS sono attualmente utilizzati per studiare i flussi turbolenti, i fenomeni di scambio termico, la combustione, i flussi multi-fase, la dispersione delle particelle.

Vantaggi della CFD:

• DNS e LES possono essere usate per studiare la dinamica di fenomeni fisici che non sono investigabili per via sperimentale. Una campagna CFD basata su tali approcci appositamente studiata può fornire dati non ricavabili in altro modo su fenomeni di piccola scala in geometrie semplici.
• Simulazioni URANS di prima o seconda generazione (questi ultimi noti anche come approcci ibridi LES/RANS) possono essere impiegate per processi di prototipazione virtuale, nella progettazione industriale al fine di ridurre drasticamente tempi e costi di sviluppo.
• La termofluidodinamica è ormai una scienza onnipresente nella tecnologia moderna. Dalle turbomacchine all’ingegneria aerospaziale, ai sistemi di raffreddamento industriali a quelli usati nei semplici laptop, fino allo studio dei flussi ambientali (ivi comprese le previsioni meteorologiche), alla biomedica, una corretta progettazione dello scambio termico e dei fenomeni turbolenti sono imprescindibili per aumentare l’efficienza.

Inconvenienti della CFD:

• Le risorse di calcolo richieste dalla DNS relegano questo approccio ad un ambiente accademico poiché lo studio di flussi ad alto numero di Reynolds in geometrie complesse richiede risorse di calcolo al di là di quelle attualmente disponibili (e che verosimilmente non saranno disponibili né a breve né a medio termine); inoltre la post-processazione dei risultati di una DNS richiede tempo e competenze di alto livello.
• La Large Eddy Simulation è la nuova frontiera per della CFD industriale, permette un’elevata accuratezza, ma richiede ancora oggi l’uso di supercomputer per il calcolo parallelo.
• L’approccio URANS è quello meno dispendioso da un punto di vista computazionale, tuttavia richiede personale specializzato in grado di scegliere il modello più appropriato per il caso da studiare.

Aires Tech Services per la CFD:

• Codici in-house affidabili e ampiamente testate basati sulla discretizzazione ai volume e agli elementi finiti.
• Personale di lunga esperienza, che ha lavorato in tutti i campi della CFD, dalla modellizzazione della turbolenza allo scambio termico, la combustione, flussi supersonici, dispersione e tracciamento di particelle, deposito e formazione di incrostazioni, erosione.
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