Simulazione di fluidodinamica computazionale

La CFD simula la dinamica di fluidi come liquidi e gas, oltre alle particelle in sospensione e le relative miscele. Il comportamento dei fluidi è descritto da modelli quali le equazioni di Navier-Stokes e il metodo reticolare di Boltzmann, con variabili come pressione, densità, viscosità del volume, viscosità dinamica, velocità e accelerazione. Per molti scenari, le equazioni di fluidodinamica spesso non hanno una soluzione analitica nota, soprattutto per comportamenti complessi come la turbolenza. Pertanto, è necessaria la simulazione CFD per risolverle.

La risoluzione delle equazioni del flusso dei fluidi non è affatto semplice; non esiste una soluzione analitica generale nota per le equazioni di Navier-Stokes, pertanto è necessario utilizzare tecniche numeriche. Inizialmente, i metodi a elementi di delimitazione, a elementi finiti o a differenza finita erano tra i metodi di simulazione CFD più comuni ma, negli ultimi 20 anni, i metodi dei volumi finiti sono diventati sempre più importanti, diventando lo standard. Più di recente, l'aumento delle prestazioni hardware ha reso anche i metodi reticolari di Boltzmann più validi.

Poiché non esiste un metodo di simulazione CFD ottimale per tutte le applicazioni, gli ingegneri devono scegliere lo strumento giusto per ogni flusso di lavoro industriale.

La combinazione Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) e Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH) è ideale per problemi di interazione fluido/struttura (FSI) altamente accoppiati come l'impianto idraulico non comprimibile. I metodi seguenti sono stati implementati nel software SIMULIA Abaqus/Explicit.

Il solutore a volumi finiti è più adatto per flussi costanti o moderatamente transitori, ad esempio nei flussi di tubature, scambiatori di calore, pompe e applicazioni HVAC. Il metodo è stato adottato in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer (FMK).

Come tecnica transitoria, il metodo reticolare di Boltzmann (LBM) è più applicabile ai flussi altamente transitori, come l'aerodinamica e l'aeroacustica. È in grado di gestire modelli estremamente complessi sia in termini di complessità geometrica sia di dettaglio. La tecnologia LBM può essere efficace anche per le applicazioni multifase che gestiscono modelli complessi che possono includere anche parti mobili arbitrarie. Dassault Systèmes SIMULIA offre due prodotti LBM. SIMULIA PowerFLOW è ideale per gli scenari aerodinamici, acustici e di contaminazione comuni nei settori aerospaziale e automobilistico. Nel frattempo, SIMULIA XFlow viene generalmente utilizzato per problemi complessi di movimento e multifase, come la lubrificazione, lo sloshing e alcune applicazioni per le bioscienze.

Entrambi i metodi sono potenti solutori CFD, ma utilizzano approcci diversi e offrono vantaggi diversi. I metodi Navier-Stokes trattano il fluido come un continuo, mentre il metodo reticolare di Boltzmann lo tratta come particelle discrete.

Per risolvere le equazioni di Navier-Stokes a livello computazionale, lo spazio fisico da simulare è diviso in molti sottodomini di piccole dimensioni chiamati volumi o celle di controllo. Le equazioni sono discretizzate tra le celle e la serie risultante di equazioni algebriche viene risolta in modo iterativo per ottenere la pressione, la velocità, la temperatura (e altre quantità fisiche) in ciascuna cella per flussi stabili o instabili. Ulteriori equazioni di trasporto discretizzate possono essere risolte allo stesso modo per rappresentare altri fenomeni fisici come turbolenza e specie chimiche.

Il metodo reticolare di Boltzmann della simulazione CFD tiene traccia del movimento microscopico delle particelle di fluidi attraverso uno spazio e un tempo discreti, per simulare il flusso di gas e liquidi. Lo spazio fluido viene automaticamente discretizzato in voxel cubici e delimitato in surfel, eliminando la necessità di generare griglie di superficie e volume convenzionali. L'approccio di modellazione delle turbolenze Very Large Eddy Scale (VLES) assicura che le strutture dei fluidi anisotrope vengano catturate con alta fedeltà, un fattore essenziale per i flussi di lavoro aerodinamici e aeroacustici.

Sì, diverse tecniche di High Performance Computing (HPC) possono accelerare la simulazione CFD. L'accelerazione della GPU velocizza il processo di simulazione e permette la simulazione di modelli più grandi e complessi su un singolo computer portatile. Una singola GPU può avere una potenza pari a quella di oltre 1000 core CPU, permettendo così un notevole risparmio sui costi hardware e la possibilità di realizzare supercomputer desktop. L'accelerazione multi GPU offre una maggiore velocità, risolvendo scenari estremamente grandi o complessi che non possono essere simulati altrimenti. La GPU supporta tutti i codici CFD, ma è particolarmente efficace per la simulazione del metodo reticolare di Boltzmann (LBM).

Grazie al cluster computing è possibile simulare scenari ancora più grandi. Il cloud offre un maggiore controllo dei processi di simulazione in batch. Sono disponibili sia il cloud locale sia il cloud online. Il cloud on premise utilizza un hardware gestito dall'azienda dell'utente, mentre il cloud online invia i dati a server sicuri per l'elaborazione. Il cloud online è una buona opzione per gli utenti con esigenze di simulazione irregolari o periodiche, evitando la necessità di investire in hardware che verrebbero utilizzati solo occasionalmente.