Spesso è difficile capire se un calcolo CFD sia stato eseguito correttamente da un analista. Molti report mostrano grafici e immagini spettacolari, ma non sempre permettono di valutare la solidità del modello e l’affidabilità dei risultati. In questo articolo spieghiamo quali elementi devono comparire in un report per poter verificare in modo chiaro e rigoroso l’analisi, distinguendo le simulazioni solide da quelle poco affidabili.
Negli ultimi anni la simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) è diventata una delle tecniche più diffuse per supportare decisioni progettuali in ambiti che spaziano dall’aerodinamica all’impiantistica, dal raffreddamento elettronico all’idraulica industriale. La sua diffusione ha generato un aumento importante dei consulenti che offrono servizi CFD, ma non è semplice capire la validità dei risultati proposti. Oggigiorno è facile ottenere un risultato di un’analisi fluidodinamica, rimane comunque complesso ottenere un risultato valido e non troppo distante dai valori reali: troppo spesso le aziende ricevono documenti ricchi di immagini suggestive ma poveri di spiegazioni, prive di dettagli sulle ipotesi adottate, sui limiti del modello o sulla verifica matematica delle equazioni risolte.
Per poter verificare l’attendibilità dei risultati, un report CFD deve invece essere un documento tecnico completo, capace di spiegare in modo chiaro come è stato costruito il modello, quali scelte fisiche e numeriche sono state compiute e come è stato dimostrato che i risultati ottenuti rappresentino, entro limiti definiti, la realtà fisica. L’obiettivo di questo articolo è fornire una guida pratica per sapere cosa chiedere a un consulente CFD, così da ricevere un report solido, verificabile e realmente utile al processo di progettazione.
Descrizione del problema fisico e degli obiettivi
La prima parte di un report CFD dovrebbe introdurre con chiarezza il problema che si intende analizzare. È fondamentale che venga esplicitato l’obiettivo dell’analisi, perché da esso dipenderanno tutte le scelte successive.
Se l’obiettivo è stimare la potenza richiesta da un sistema di ventilazione forzata, dovrà essere ben definita e simulata la geometria della girante, mentre se si vuole solo sapere il moto dell’aria da esso generato, basterà sostituirla con la sua curva caratteristica. In questa fase è altrettanto importante ricostruire con cura il dominio fisico reale, descrivendo quali zone vengono rappresentate integralmente e quali invece vengono semplificate avendo ben in mente l’obbiettivo dell’analisi. Le semplificazioni sono inevitabili in qualsiasi analisi CFD, ma devono sempre essere giustificate. Eliminare un dettaglio geometrico irrilevante, come una vite o una piccola asola, può essere ragionevole; rappresentare invece una valvola complessa mediante una semplice perdita lineare deve essere esplicitato, spiegando perché tale approssimazione non compromette la coerenza del modello.
Modellazione numerica: geometria, mesh e modelli fisici
Una volta definito il problema fisico, il report deve entrare nel merito della modellazione numerica. La geometria utilizzata in simulazione, spesso derivata da file CAD, non coincide quasi mai con quella reale e subisce numerose modifiche: parti vengono rimosse, domini vengono estesi, bordi vengono smussati per evitare instabilità numeriche. Il consulente deve descrivere queste modifiche in modo trasparente, spiegando quali elementi siano stati mantenuti perché fisicamente rilevanti e quali invece eliminati o idealizzati. Per esempio, nel calcolo di un coefficiente di flusso di una valvola è buona norma estendere il dominio di una tubazione per almeno cinque diametri per stabilizzare l’analisi e per avere risultati congruenti con le modalità di esecuzione dei test sperimentali.
La mesh come fondamento del calcolo CFD
La qualità della mesh rappresenta uno dei criteri più importanti per la valutazione dell’affidabilità di una simulazione. Non è sufficiente dichiarare il numero totale di celle, anche se può darci un’indicazione di massima. Per simulazioni con geometria semplice dovremmo rimanere intorno ai 3-5 milioni, per oggetti e simulazioni più complesse intorno ai 30-40 milioni. il report deve discutere la tipologia di mesh adottata e le sue caratteristiche geometriche: una mesh senza elementi prismatici a parete può generare dei risultati completamente inattendibili.
Inoltre, la qualità dei risultati dipende dalla qualità delle mesh: indicatori come “Skewness”, “Orthogonality” e “Aspect ratio” devono essere riportati con valori quantitativi, commentando le regioni in cui tali indicatori sono più critici.
Particolare attenzione deve essere dedicata allo strato limite, poiché è qui che si gioca la maggior parte della correttezza fisica di un modello di turbolenza. Un valore corretto dello y⁺ rappresenta uno degli indicatori più semplici e al tempo stesso più importanti che il report deve contenere.
Nel caso di simulazione RANSE (quelle più utilizzate) il valore atteso si colloca in un range tipicamente fra 5 e 100, a seconda del modello di turbolenza usato. Un valore di y⁺ non corretto può compromettere il calcolo dello shear stress, portando a stime errate delle perdite di attrito. Un report professionale non si limita a un valore medio ma mostra mappe o istogrammi dello y⁺ distribuendoli sulle pareti del dominio.
Modelli fisici e condizioni al contorno
Il consulente dovrebbe poi dedicare un paragrafo ai modelli fisici adottati. Per esempio, la scelta del modello di turbolenza è spesso una delle più delicate: il modello k-ω SST può rivelarsi adatto in presenza di separazioni del flusso e moto particolarmente turbolenti, mentre il modello k-ε è frequentemente utilizzato per flussi più ordinati e soprattutto mesh di grandi dimensioni, in quanto meno preciso, ma più stabile.
Le condizioni al contorno costituiscono un altro elemento essenziale. Un report completo deve riportare i valori numerici esatti impiegati, la loro provenienza e la giustificazione fisica. Ogni dato inserito nella simulazione deve essere citato, in modo che la simulazione possa essere ripetuta.
Verifica numerica: convergenza, continuità e bilanci
La fase di verifica numerica è spesso trattata con superficialità nei report non professionali, eppure è quella che permette di stabilire se il solutore ha effettivamente risolto le equazioni con sufficiente accuratezza. Una verifica ben documentata consente infatti di distinguere una simulazione realmente convergente da una che semplicemente si è ‘fermata’ senza raggiungere una soluzione fisicamente credibile. Inoltre, controlli numerici chiari e ripetibili offrono al cliente la possibilità di valutare in autonomia la solidità dell’intero modello computazionale.
La convergenza dei residui
L’analisi CFD risolve le equazioni in maniera iterativa, quindi, è fondamentale che essa venga considerata conclusa una volta arrivata a convergenza, ossia che i risultati non varino in maniera significativa iterazione per iterazione e che le equazioni di continuità, quantità di moto ed energia siano risolte in maniera accurata e non forniscano errori troppo grandi, ossia che i “residui” siano piccoli”. Un report rigoroso mostra l’andamento dei residui nel tempo, commentando eventuali plateau e spiegando perché un certo livello di residuo sia accettabile. In genere si richiede una riduzione di almeno tre ordini di grandezza, oltre a una stabilizzazione dei monitor fisici indipendenti.
I monitor fisici
Oltre ai residui, il report deve presentare l’andamento temporale di grandezze fisiche significative, in particolare di quelle richieste dal cliente: portate massiche, velocità massime e media, temperature nei vari punti, forze aerodinamiche, cadute di pressione. Per considerare la simulazione convergente, tali valori devono attestarsi su un regime quasi stazionario. Il loro valore non deve cambiare iterazione per iterazione. Normalmente, si considera accettabile un valore minore del 2%.
La verifica del bilancio di massa e del bilancio energetico
Un paragrafo particolarmente importante, e spesso assente nei report meno accurati, riguarda la verifica delle equazioni di bilancio. Per garantire che il solutore abbia risolto correttamente l’equazione di continuità, il report deve mostrare la differenza fra la portata massica entrante e quella uscente dal dominio. In una simulazione stazionaria, questo errore dovrebbe essere inferiore all’1%. Questo garantisce che il flusso entrante sia uguale al flusso uscente, ossia che sia rispettata l’equazione di continuità.
Per esempio, nell’analisi di un condotto con più ingressi e uscite, la somma delle portate entranti deve essere uguale alla somma delle portate uscenti. Se la portata in ingresso è pari a 1,20 kg/s e quella in uscita risulta 1,19 kg/s, l’errore di continuità ammonta allo 0,83%, un valore generalmente considerato accettabile.
Lo stesso approccio va applicato al bilancio di energia nelle analisi termiche. La potenza termica entrante deve essere confrontata con quella uscente; scarti del 2–3% sono comunemente accettati nei modelli a geometria semplice. Se in un sistema di raffreddamento un dissipatore introduce 850 W nel fluido e il bilancio mostra 833 W di energia effettivamente assorbita, l’errore del 2% può essere ritenuto compatibile con le aspettative.
Presentazione dei risultati e interpretazione ingegneristica
La sezione dedicata ai risultati deve andare oltre l’estetica delle figure. Le visualizzazioni devono presentare scale chiare, piani di taglio significative. A fianco delle immagini, il report deve fornire tabelle con valori numerici: portate, pressioni, coefficienti aerodinamici, temperature medie. Spesso è conveniente anche modificare le scale, in modo da evidenziare ricircoli o punti di ristagno significativi. In questi casi è buona norma riportare comunque i valori reali massimo e minimo, così da rendere evidente che la scala è stata ridimensionata. Ovviamente, oltre a mostrare i risultati, è essenziale che ci sia un commento a corredo di ogni singola immagine, soprattutto nel caso si notino comportamenti diversi a quelli previsti.
Sempre nelle immagini, un report completo e affidabile, mostra anche eventuali suggerimenti per modificare la geometria, in modo da renderla più efficiente.
Limiti del modello e suggerimenti
Un report serio deve includere anche una discussione sui limiti del modello, indicando quali fenomeni non sono stati rappresentati e quali conseguenze ciò comporta. La maggior parte delle analisi CFD viene eseguita in regime stazionario, il che significa che non si considerano le fasi di avvio o arresto del sistema. Questo rappresenta un limite particolarmente importante nelle analisi termiche, perché nella realtà molti componenti non restano in funzione abbastanza a lungo da raggiungere la temperatura massima prevista dal regime stazionario. Oppure, in analisi di edifici, si considera spesso la temperatura esterna fissa alla massima giornaliera, quando in realtà, essa varia notevolmente e quindi spesso queste analisi sono significativamente peggiorative.
Analisi stazionarie, poi, non possono considerare la variabilità del campo di moto causata dalla turbolenza o dalla presenza di macchinari rotanti. Nella realtà, il campo di moto all’uscita di una girante è fortemente instabile, mentre in una simulazione questo rimane costante. È buona norma che in un report di un’analisi seria questo venga riportato, in modo che il cliente possa capire le differenze fra le analisi e la realtà.
Un buon report, preparato da un analista competente, include anche un capitolo dedicato alle possibili modifiche geometriche o ai settaggi utili a migliorare le prestazioni del sistema. Questa sezione dimostra non solo la padronanza dello strumento CFD, ma anche la capacità dell’analista di interpretare i risultati in chiave progettuale. Suggerimenti mirati su come ottimizzare il flusso, ridurre le perdite o migliorare lo scambio termico rappresentano un valore aggiunto fondamentale. Inoltre, la presenza di proposte concrete indica che l’analista non si limita a descrivere il problema, ma contribuisce attivamente a trovare soluzioni.
Conclusioni
Non è sempre semplice capire se un’analisi CFD sia stata condotta correttamente, ma un report completo e ben strutturato è già un forte indicatore di professionalità. Il valore di una simulazione, infatti, non dipende dalla complessità numerica o dalla qualità estetica delle immagini, bensì dalla trasparenza e dalla solidità del processo con cui è stata realizzata. Un documento chiaro permette inoltre al lettore di valutare in autonomia l’affidabilità dell’intero modello e di comprendere davvero il significato dei risultati ottenuti. Un report realmente utile deve spiegare chiaramente il problema fisico, descrivere le scelte modellistiche, documentare la verifica numerica attraverso controlli di continuità e bilancio energetico, e validare rigorosamente i risultati.
Richiedere queste informazioni non è un eccesso di pignoleria tecnica, ma una necessità per rendere la CFD uno strumento affidabile e allineato alle esigenze progettuali. Solo in questo modo il progetto potrà beneficiare di analisi realmente riproducibili, tracciabili e scientificamente fondate.
