Introduzione alla CFD. Tiziano Ghisu

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Cosima Piva
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1 Introduzione alla CFD Tiziano Ghisu

2 Perché CFD? CFD = Computational Fluid Dynamics Risolve numericamente (tramite un computer) le equazioni costitutive della fluidodinamica, che non potrebbero essere risolte altrimenti.

3 Discretizzazione Le equazioni di Navier-Stokes mi forniscono una descrizione continua del fenomeno ma non possono essere risolte direttamente (non hanno soluzione in forma chiusa) tranne che in casi molto semplici. Soluzione: discretizzo lo spazio (e il tempo) definendo un numero finito di punti (differenze finite) o di volumi (volumi finiti) nei quali risolvo delle equazioni algebriche ricavate dalle equazioni costitutive

4 Esempi di griglie di calcolo Differenze finite Volumi finiti In ogni punto definisco un equazione algebrica a partire dalla forma differenziale delle equazioni di conservazione Per ogni volume definisco un equazione algebrica a partire dalla forma integrale delle equazioni di conservazione

5 Esempi di griglie di calcolo Differenze finite Volumi finiti

6 CFD 1 - Turbina Wells (b) Detailed view of the turbine (a) Global view (c) Velocity triangles

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- Turbina Wells OUTFLOW / INFLOW DEFORMING MESH MOVING WALL MOVING REFERENCE FRAME

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8 CFD 1 - Turbina Wells T INFLOW experiments CFD φ (a) Non-dimensional torque OUTFLOW P experiments CFD INFLOW φ OUTFLOW (b) Non-dimensional static pressure drop Figure 5: Comparison between experimental and computational results

9 CFD 1 - Turbina Wells INITIAL MODIFIED

10 CFD 1 - Turbina Wells INITIAL MODIFIED torque coefficient phi

11 CFD 2 - Compressore

12 CFD 2 - Compressore topology optimisation 3D optimisation

13 CFD 2 - Compressore

14 CFD 3 - Blade cooling

15 CFD 3 - Blade cooling

16 CFD 3 - Blade cooling increased heat transfer in leading edge region

17 CFD 3 - Blade cooling PC/P0=1.10 PC/P0=1.05 PC/P0=1.02 NO COOLING early transition

18 CFD 4 - Airfoil sensitivity

19 CFD 5 - Transonic wing

20 CFD 6 - Wildfire spread

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA CHIMICA E DEI MATERIALI VIA MARENGO, 2-09123 - CAGLIARI CORSO DI MODELLAZIONE DI SISTEMI FLUIDI A.A. 2014-2015 Docenti del Corso Dr.

21 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA CHIMICA E DEI MATERIALI VIA MARENGO, CAGLIARI CORSO DI MODELLAZIONE DI SISTEMI FLUIDI A.A Docenti del Corso Dr. Ing. Tiziano Ghisu, PhD, Ricercatore di Macchine a Fluido Dr. Ing. Francesco Cambuli, PhD, Ricercatore di Macchine a Fluido Scopo del Corso Il corso vuole fornire un'introduzione all'uso dei programmi di calcolo per la risoluzione numerica di problemi di fluidodinamica. È prevista una prima parte di tipo teorico, volta a fornire le conoscenze di base sulla soluzione numerica delle equazioni differenziali ordinarie e delle equazioni alle derivate parziali. La seconda parte presente le equazioni fondamentali della fluidodinamica, alcune loro peculiarità, ed i metodi numerici utilizzati nei programmi di calcolo fluidodinamico disponibili in commercio. La turbolenza e lo strato limite, fondamentali nella maggior parte dei flussi di tipo industriale, sono presentati nella terza parte, insieme alle modalità di soluzione oggi disponibili. Durante il corso sarà svolta una serie di esercitazioni che porteranno lo studente all'utilizzo di programmi di generazione di griglie e di risoluzione numerica Ampio spazio sarà dedicato al trattamento dei dati ottenuti dalle simulazioni. Programma del corso (60 ore) Parte I. 1. Introduzione (2 ore) 2. Richiami sulla soluzione numerica delle equazioni differenziali ordinarie (6 ore) 3. Equazioni differenziali alle derivate parziali (6 ore) 4. Esercitazioni su Matlab (4 ore) Parte II. 1. Richiami di dinamica dei fluidi (6 ore) 2. Metodi numerici (6 ore) 3. Esercitazione introduttiva alla modellazione geometrica e alla soluzione numerica (6 ore) Parte III. 1. Nozioni di base su turbolenza e strato limite (6 ore) 2. Equazioni RANS, LES e DNS. Modelli di turbolenza (6 ore) 3. Esercitazioni pratiche (12 ore) Prerequisiti Lo studente dovrà conoscere le nozioni fondamentali di analisi matematica di fluidodinamica Esame L'esame finale consisterà nella redazione di un progetto applicativo (50% del voto) in una discussione della parte teorica del corso (50%). Competenze Al termine del corso lo studente avrà acquisito le seguenti competenze: Individuare correttamente i modelli fisici e matematici per la risoluzione di problemi fluidodinamici Scegliere adeguatamente i modelli numerici e valutare correttamente le condizioni al contorno Utilizzare codici di calcolo commerciali di modellazione geometrica, generazione di griglia e risoluzione fluidodinamica

22 Testi di riferimento Fondamenti di calcolo numerico, Giovanni Monegato, Editore CLUT, ISBN: X An Introduction to Computational Fluid Dynamics: the Finite Volume Method, H K Versteeg and W. Malalasekera, Ed. Person Prentice Hal, ISBN Computational Methods for Fluid Dynamics, JH Ferziger and M Peric, Ed. Springer, ISBN Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, S. V. Patankar, Ed. CRC Press, ISBN

23 Strumenti di Calcolo Matlab o equivalente Pacchetto Ansys (IcemCFD, Fluent, Post-processing?)

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