Computational Fluid Dynamics (CFD)

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1 Computational Fluid Dynamics (CFD) A cura di: Marco Lombardelli

2 Punti fondamentali 1. CFD: Cosa? Come? Perché? Quando?. Modelli 3. Richiami teorici 4. Esempi

3 Cosa è il CFD? CFD è una sigla che indica un metodo numerico,discreto ed approssimato finalizzato ad affrontare problemi di termofluidodinamica. Storicamente il metodo CFD è stato preceduto dagli approcci AFD (Analytical Fluid Dynamics) ed EFD (Experimental Fluid Dynamics). Il CFD come il FEM è stato possibile solo dopo l inizio della rivoluzione informatica. (500 flops, 1947à 0 teraflops, 003) 3

4 Perchè usare il CFD? Progettazione di prototipi 1. Simulation-based design invece di build & test q Più economico e rapido q Possibilità di effettuare confronti diretti tra diverse soluzioni.. Simulazione di problemi difficili o impossibili da trattare sperimentalmente q Grandi scale (navi, aerei, edifici) q Effetto delle condizioni atmosferiche (vento) q Situazioni pericolose (esplosioni, twister) q Problemi di interesse aereospaziale (ionosfera, mesosfera ecc.) Interpretazione della fisica dei problemi 4

5 CFD:In quali settori? Settori? Aerospaziale Automotive Biomedico Processi chimici Ergonomia Idraulica civile/ industriale Marittimo Oil & Gas Energia Sport Aerospace F18 Store Separation Biomedical Automotive Temperature and natural convection currents in the eye following laser heating. 5

6 CFD: In quali settori? Settori? Aerospaziale Automotive Biomedico Processi chimici Ergonomia Idraulica civile/ industriale Marittimo Oil & Gas Energia Sport Chemical Processing Polymerization reactor vessel - prediction of flow separation and residence time effects. Hydraulics HVAC Streamlines for workstation ventilation 6

7 CFD: in quali settori? Marine (movie) Sports Settori? Aerospaziale Automotive Biomedico Processi chimici Ergonomia Idraulica civile/ industriale Marittimo Oil & Gas Energia Sport Oil & Gas Flow of lubricating mud over drill bit Power Generation Flow around cooling towers 7

8 Le applicazioni più diffuse

9 Modelli Il Modello è l insieme delle correlazioni matematiche che vengono impiegate nel codice di calcolo, che ha il compito di integrare le equazioni del modello Il caso più generale è quello termofluidodinamico: -Equazioni di equilibrio -Equazioni di congruenza -Equazioni del legame costitutivo -Equazioni di continuità -Equazioni del moto fluido -Equazioni dei gas (perfetti e non) -Equazioni di trasmissione del calore 9

10 Richiami teorici:concetti di base Fluid Mechanics Fluid Statics Fluid Dynamics Laminar Turbulent Newtonian Fluid Non-Newtonian Fluid Ideal Fluids Viscous Fluids Rheology Compressible Flow Incompressible Flow CFD Solutions for specific Regimes

11 11 Richiami teorici (equazioni) Navier-Stokes equations (3D in Cartesian coordinates) = ˆ z u y u x u x p z u w y u v x u u t u µ ρ ρ ρ ρ = ˆ z v y v x v y p z v w y v v x v u t v µ ρ ρ ρ ρ ( ) ( ) ( ) = 0 z w y v x u t ρ ρ ρ ρ p ρrt = L p v p Dt DR Dt R D R ρ = ) ( 3 Convection Piezometric pressure gradient Viscous terms Local acceleration Continuity equation Equation of state Rayleigh Equation = ˆ z w y w x w z p z w w y w v x w u t w µ ρ ρ ρ ρ

12 Metodi numerici (mesh) Il fatto che il metodo sia discreto significa che da una realtà continua si passa ad una realtà con un numero finito di parametri: il numero di nodi non può essere infinito! Schemi di calcolo q Differenze finite: mesh strutturata q Volumi finiti: mesh strutturata/non strutturata Applicazioni q Geometrie semplici: differenze finite q Geometrie complesse: volumi finiti structured unstructured 1

13 CFD:Procedimendo Geometry Physics Mesh Solve Reports Post- Processing Select Geometry Heat Transfer ON/OFF Unstructured (automatic/ manual) Steady/ Unsteady Forces Report (lift/drag, shear stress, etc) Contours Geometry Parameters Compressible ON/OFF Structured (automatic/ manual) Iterations/ Steps XY Plot Vectors Domain Shape and Size Flow properties Convergent Limit Verification Streamlines Viscous Model Precisions (single/ double) Validation Boundary Conditions Numerical Scheme Initial Conditions 13

14 Esempi di base

15 Esempio condotto 1

16 Esempio condotto 1

17 Esempio condotto 1

18 Esempio condotto

19 Esempio condotto

20 Esempio condotto

21 Esempio condotto 3

22 Esempio condotto 3

23 Esempio condotto 3

24 Esempio condotto 4

25 Esempio condotto 4

26 Esempio condotto 4

27 Esempio condotto 5

28 Esempio condotto 5

29 Esempio condotto 5

30 Esempio condotto 5

31 Esempio condotto 5

32 Esempio wing (Mesh) Grid need to be refined near the foil surface to resolve the boundary layer 3

33 Esempio wing (Post-processing) 33

34 Esempi su geometrie complesse

35 Esempi su geometrie complesse

36 Esempio non stazionario

37 Conclusioni:Cose da ricordare 1- CFD = FEM generalizzato - Numero di equazioni impegnativo per hardware e software 3- Preparazione teorica dell utente 4- Analisi di elevato onere computazionale 5- Analisi che richiede tempo 6- Costi tendenzialmente elevati