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Studio del moto di fluidi industriali con tecniche di analisi numerica

Informazioni tesi

  Autore: Davide Caruso
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2001-02
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Meccanica
  Relatore: Guido Belforte
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 306

Il sottoscritto Caruso Davide ha svolto la tesi di laurea dal titolo “Studio del moto dei fluidi industriali con tecniche di analisi numerica”.
La tesi è stata iniziata il 4/9/2001 e terminata il 12/3/2002 ed è stata svolta presso il centro di calcolo del dipartimento di meccanica del Politecnico di Torino.
Argomento della tesi è l’applicazione del codice di calcolo CFD (Computational fluid dynamics) Fluent allo studio del flusso dell’aria attraverso una serie di geometrie note, in quanto i dati relativi a studi di fluidodinamica condotti in precedenza, sono riportati in letteratura scientifica.
Nel capitolo I viene descritta la GUI (graphic user inteface) dei due programmi Gambit (preprocessing) e Fluent (solving e postprocessing) ed è stata effettuata l’analisi del moto laminare in un tubo. Più precisamente è stata confrontato il profilo di velocità ottenuto da Fluent con il profilo parabolico descritto dalla teoria ed è stata esaminata la dipendenza dei risultati dalla mesh.
Nel capitolo II è stato preso in considerazione il moto laminare attraverso un meato di sezione rettangolare allo stesso modo in cui è stato studiato il moto laminare in un tubo.
Nel capitolo III è stato esaminato il moto laminare attraverso un gradino con l’obiettivo di effettuare un confronto con il profilo di velocità a valle del gradino misurato sperimentalmente. È stata inoltre verificata la posizione del punto di riattacco del flusso ed è stata verificata la dipendenza della soluzione dal tipo di condizioni al contorno che Fluent può definire.
Il confronto è stato effettuato con 4 numeri di Reynolds diversi e quindi è stato possibile stabilire la dipendenza del punto di riattacco del flusso dal numero di Reynolds.
Nel capitolo IV sono state presentate le principali opzioni relative ai modelli di turbolenza perché Fluent mette a disposizione dell’utente molti modelli. La scelta del modello e delle relative opzioni può costituire una fase critica del processo di impostazione dei parametri della simulazione, perché difficilmente i modelli di turbolenza vengono studiati nei corsi universitari.
Le informazioni fornite nel capitolo sono una sintesi delle indicazioni della guida di Fluent, che descrive come risolvere i problemi in maniera molto generale. Per l’utente che cerca informazioni specifiche la guida risulterebbe senza dubbio dispersiva. Inoltre nel capitolo IV sono state trattate le basi teoriche per la comprensione delle differenze tra i diversi modelli di turbolenza sulla base delle indicazioni riportate in alcuni testi.
Nel capitolo V è stato analizzato il moto in un gradino cambiando modello di turbolenza nel passaggio da un caso all’altro, a parità di condizioni al contorno e di definizione della mesh, con l’obiettivo di verificare l’influenza sui risultati della scelta del modello di turbolenza. Anche in questo capitolo è stato effettuato un confronto con i profili di velocità sperimentali.
Nel capitolo VI è stato analizzato il flusso turbolento attraverso un silenziatore costituito da un tubo presentante un’ allargamento di sezione seguito da un restringimento. Lo scopo di questo capitolo è analizzare i risultati ottenuti da un modello di turbolenza a confronto con i profili di velocità, le perdite di carico e i percorsi delle particelle misurati sperimentalmente.
Nel capitolo VII è stato analizzato il flusso turbolento comprimibile attraverso una piastra forata inserita fra 2 tubi. In questo caso sono disponibili alcuni dati sperimentali relativi alla portata in massa che attraversa il modello e all’andamento della pressione nei tubi a monte e a valle della piastra. Definita all’ingresso e all’uscita le medesime pressioni misurate sperimentalmente, è stata verificata la portata in massa e l’andamento della pressione.
Nei capitoli in cui il moto studiato è turbolento, oltre alle verifiche sperimentali, è stato effettuato anche uno studio delle grandezze caratteristiche del modello di turbolenza. Tali considerazioni possono essere fatte solo da utenti di codici di calcolo del livello di Fluent perché sperimentalmente è molto difficile misurare le componenti istantanee della velocità delle particelle in modo da definire in maniera ragionevole l’intensità della turbolenza del flusso.

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5 Introduzione alla fluidodinamica computazionale Introduzione alla fluidodinamica computazionale La fluidodinamica computazionale consente di modellare a livello teorico il campo di velocità di un fluido che attraversa un sistema di qualunque forma del quale si conoscano le condizioni al contorno. Può essere inoltre utilizzata per la valutazione dello scambio di calore effettato dal fluido e più in generale per valutazioni energetiche. Il software Fluent è un codice CFD, acronimo di computational fluid dynamics, del ti- po general purpose, cioè in grado di descrivere una vasta gamma di casi mediante tecniche di discretizzazione delle equazioni di Navier-Stokes. La caratteristica saliente del programma è la possibilità di descrivere un qualunque campo di moto sia esso bidimensionale o tridimensionale fornendo dei risultati che di rado sono messi a disposizione dai modelli analitici noti. Infatti, normalmente, gli studi fluidodinamici bidimensionali o molto più spesso tridi- mensionali richiedono la costruzione di modelli del sistema da studiare in scala e misurazioni sperimentali utili a formulare una descrizione adimensionalizzata dei fenomeni. Il difetto di tali modelli è la loro relativa “ermeticità”, nel senso che consentono agevoli valutazioni quan- titative ma non fanno comprendere ciò che avviene all’interno del sistema. Un’alternativa all’analisi dimensionale è la misurazione mediante opportuni di stru- menti di misura delle velocità istantanee raggiunte dal fluido quando attraversa il modello. Le misure sperimentali forniscono indicazioni teoriche molto più significative ma richiedono an- che molto tempo e cospicui investimenti in strumentazioni di misura, a fronte di un campo di validità ristretto alle singole sperimentazioni. I codici di calcolo CFD permettono invece la simulazione del campo di moto all’interno di un’oggetto di qualunque forma, con un tempo di calcolo dipendente solo dalle capacità dell’elaboratore e quindi mai eccessivamente lungo, se si sfruttano le notevoli capaci- tà di calcolo delle postazioni più recenti. Si consideri come esempio la simulazione dei gas allo scarico di un missile che rappre- senta lo studio di un fenomeno turbolento, quindi descrivibile solo tramite grandezze medie e non certo istantanee, a sua volta non stazionario. Oltretutto questo tipo di simulazione fluido- dinamica è strettamente intrecciata con lo scambio termico così come dimostrato dall’analogia di Reynolds. Data la dimensione computazionale del problema già quando è posto in forma bidimensionale, legata essenzialmente alle dimensioni esterne della geometria da analizzare, e la grande difficoltà a risolvere per via analitica le equazioni differenziali di Navier-Stokes, l’unica soluzione al problema sarebbe stata la costruzione di un modello in scala per realizzare uno studio sperimentale. Invece i metodi computazionali per l’analisi al calcolatore delle e- quazioni di Navier-Stokes in forma discretizzata, hanno consentito uno studio teorico della fluidodinamica dei gas di scarico. La fig.1 rappresenta i vettori velocità relativi ai gas allo sca- rico di un missile in partenza da una piattaforma di lancio, ottenuti con un modello bidimen- sionale [3].

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Parole chiave

cfd
computational fluid dynamics
fluent
gambit
fluidodinamica

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