Le grandezze caratteristiche del flusso possono essere messe direttamente in correlazione con il funzionamento del prodotto e con le medesime grandezze rilevate sperimentalmente.
La meccanica del fluido è una disciplina che coinvolge numerosi fenomeni fisici che hanno una ricaduta immediata nelle applicazioni meccaniche. I risultati che produce sono le grandezze caratteristiche del flusso quali pressione, direzione e velocità del fluido, temperature.
Queste grandezze possono essere messe direttamente in correlazione con il funzionamento del prodotto e con le medesime grandezze rilevate sperimentalmente.
Per questo motivo la simulazione CFD si presta all’esecuzione di veri e propri test virtuali sul progetto in corso di sviluppo.
In questa pagina sono raccolte alcune applicazioni di FLOEFD in ambito industriale.
Con FLOEFD è possibile determinare con precisione l’andamento delle portate e delle velocità del fluido sia a livello generale, che scendendo nel dettaglio locale.
Questo consente al progettista di individuare e risolvere eventuali problemi legati ad andamenti dei flussi differenti da quelli ipotizzati in sede di progetto.
Nell’animazione viene mostrato il flusso in un collettore di un Dry Cooler, con due differenti configurazioni geometriche.
Si nota come nella configurazione di sinistra, il flusso risulti sbilanciato e non omogeneo tra tutti i tubi, determinando delle pessime prestazioni termiche.
A destra, invece, l’animazione evidenzia come l’inserimento di setti per modificare il percorso, garantisca una migliore ripartizione del flusso e una maggiore permanenza del liquido da raffreddare nello scambiatore, migliorando l’efficienza dello scambio termico.
Andamento dei flussi all’interno di un Dry Cooler.
Prevedere in anticipo il comportamento del prototipo
Distribuzione di pressione
Per molti dispositivi le prestazioni sono collegate al salto di pressione tra ingresso e uscita, che tipicamente vengono determinate sul prototipo mediante test sperimentali.
Con FLOEFD è possibile determinare ad esempio le cadute di pressione attraverso un condotto e i coefficienti di perdita di una valvola (Cv/Kv).
Grazie a FLOEFD il progettista è in grado di prevedere in anticipo il comportamento del prototipo, e di poter intervenire sulla geometria per migliorarne le prestazioni.
Andamento del flusso all’interno di una valvola
Simulare il funzionamento della macchina
Modellazione di macchine a fluido
FLOEFD consente l’analisi delle macchine motrici (turbine) eoperatrici (pompe, compressori, ventilatori) con cui determinarne le prestazioni.
Il progettista è in grado di simulare il funzionamento della macchina nelle condizioni operative e può intervenire facilmente sulla geometria della girante e della voluta per massimizzarne il rendimento.
Modello 3D di una pompa centrifuga
Riuscire a prevedere l’effettiva distribuzione di temperatura
Scambio termico tra solidi e fluidi
Lo scambio termico tra fluidi e solidicostituisce il meccanismo principale per il trasferimento dell’energia che accomuna una varietà di dispositivi molto differenti tra di loro.
Questa classe di prodotti comprende dai grossi scambiatori di calore Shell & Tube per applicazioni industriali, agli scambiatori a piastre, ai radiatori per le autovetture, ai dissipatori per dispositivi elettronici.
La sfida del progettista è quella di riuscire a prevedere l’effettiva distribuzione di temperatura tra le varie parti coinvolte, per garantire il raggiungimento delle prestazioni target.
Analisi dei flussi in uno scambiatore Shell & Tube
Simulare il cambiamento di fase del fluido refrigerante
Condensazione ed Evaporazione
In molti scambiatori di calore viene utilizzato il calore latente di evaporazione / condensazione del fluido refrigerante per aumentare la quantità di calore estratta quando il salto di temperatura è limitato e si vuole ridurre l’ingombro del dispositivo.
Questo è il caso, ad esempio, dei refrigeranti utilizzati nel frigorifero o nel climatizzatore.
Grazie alla disponibilità di modelli di gas e fluidi reali, attraverso FLOEFD è possibile simulare il cambiamento di fase del fluido refrigerante. FLOEFD dispone di una libreria di materiali che comprende i principali refrigeranti di uso industriale.
Nella figura si apprezza il passaggio del refrigerante dalla fase liquida (azzurro) a quella gassosa (verde)
Prevedere e ottimizzare il livello di Miscelazione
Miscelazione
La miscelazione tra diverse sostanze è un processo essenziale per numerose industrie.
La miscelazione può avvenire in continuo, quando due flussi con caratteristiche diverse devono mescolarsi per produrre un flusso omogeneo, oppure può avvenire in appositi macchinari.
In entrambi i casi FLOEFD è in grado di aiutare il progettista a prevedere e ottimizzare il livello di miscelazione garantito dalla macchina.
Simulazione transitoria di un mixer con FloEFD
Determinare l'interazione tra fluido e prodotto
Previsione dei carichi fluidodinamici
Tipicamente l’interazione tra il fluido e il prodotto porta alla nascita di forze e momenti che devono essere opportunamente considerati per garantire il perfetto funzionamento.
In questa tipologia di interazioni ricadono:
I carichi aerodinamici su un velivolo o una vettura e la determinazione dei coefficienti Cp, Cd.
Le forze che nascono sulle valvole durante il funzionamento.
La coppia che agisce sulla girante ad una determinata velocità.
I carichi del vento su una struttura o un edificio.
In generale, le distribuzioni di pressione e temperatura che possono indurre stress e deformazioni sul prodotto.
FLOEFD permette non solo di determinare facilmente queste grandezze, ma consente anche l’esportazione delle mappe di pressione e velocità verso i principali software ad elementi finiti (es. Femap) per eseguire analisi strutturali FEM.
Simulazione aerodinamica di un velivolo per il calcolo del Cp e Cd
Simulazione di Cavitazione ed erosione
Cavitazione ed Erosione
La cavitazione consiste nella formazione di zone di vapore all’interno di un fluido che poi implodono producendo sia un rumore caratteristico, che innescando un processo di erosione.
In altri casi, è proprio il fluido elaborato che contiene particelle disperse che nel tempo portano all’erosione localizzata del dispositivo, pregiudicandone la durata e il funzionamento.
Con FLOEFD il progettista è in grado di simulare entrambi i fenomeni, ottenendo informazioni puntuali sulle zone coinvolte dall’erosione e potendo pertanto valutare gli effetti delle azioni correttive.
Simulazione della cavitazione sul profilo di un’elica
Simulazione dell’iniezione di particelle all’interno del flusso
Filtraggio e Separazione
I fluidi di processo come l’acqua e l’aria devono essere opportunamente trattati prima di essere reimmessi nell’ambiente, per eliminare la presenza di particelle inquinanti e polveri.
A questo scopo vengono utilizzati filtri meccanici e dispositivi come i cicloni che aiutano a separare le impurità da flusso.
Con FLOEFD è possibile modellare questo tipo di macchinario, simulando l’iniezione di particelle all’interno del flusso per stimare preventivamente quante di esse vengano catturate.
Simulazione di un separatore ciclonico con FloEFD
Gestione contemporanea di numerosi parametri di comfort
Climatizzazione e HVAC
La climatizzazione degli ambienti richiede la gestione contemporanea di numerosi parametri di comfort quali la temperatura, l’umidità dell’aria e la sua velocità.
Con FLOEFD il progettista è in grado di modellare sia i flussi di aria condizionata prodotti dall’impianto HVAC che il calore prodotto dall’irraggiamento solare, con cui determinare in fase di progetto gli indicatori di comfort ambientale.
Questo tipo di analisi può essere condotto sia su edifici, che su mezzi climatizzati come veicoli, treni, velivoli, macchine agricole.
Simulazione dell’impianto di climatizzazione della carrozza di un treno.
simulazione la combustione dei principali gas combustibili
Combustione
Numerosi dispositivi basano il loro funzionamento su dei bruciatori che generano energia e calore attraverso la combustione di gas.
Attraverso FLOEFD il progettista è in grado di simulare la combustione dei principali gas combustibili, al fine di determinare l’effettivo profilo della fiamma e poter quindi ottimizzare il funzionamento del bruciatore.
Simulazione dell’accensione del bruciatore di un fornello da cucina
Il quarto stato della materia
Flussi ipersonici e plasma
Il plasma, considerato il quarto stato della materia, è costituito da gas che in determinate condizioni di pressione e temperatura può essere ionizzato, modificando le sue proprietà fisiche.
Questa situazione si manifesta sia nel campo di moto del fluido nell’interno di un vettore spaziale, o attorno ai fulmini.
Ma esistono anche applicazioni più vicine alla nostra quotidianità come le lampade al Neon o alcuni trattamenti superficiali.
Con FLOEFD è possibile simulare flussi che coinvolgono la presenza di plasma.
Simulazione del rientro in atmosfera di una capsula spaziale
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