I domini sono regioni dello spazio dove si ha la risoluzione delle equazioni del flusso e dello scambio termico. Se ad esempio si fa riferimento ad una serpentina che scalda dell’acqua, da un punto di vista di analisi fluidodinamica si avrà a che fare con 2 diversi ambienti ossia un ambiente solido (la serpentina di rame) ed un ambiente fluido (la zona contenente acqua).
di Francesco Grispo
Un caso che si può considerare a titolo di esempio è lo studio di una girante per una turbomacchina. In questo caso esistono diverse modalità di simulazione, ma tutte prevendo la presenza di una regione fluido statorica (ossia fissa) ed una zona di fluido rotorica (ossia che gira rispetto ad un proprio sistema di riferimento).
Volendo catalogare i possibili domini fluido, quelli che sono presenti sicuramente in quasi tutti i software sono:
- Dominio fluido puro
- Dominio Solido
- Mezzo Poroso
Di seguito sarà data una breve descrizione delle proprietà dei diversi domini.
La prima tipologia da considerare è il dominio fluido vero e proprio. È il dominio base dell’analisi CFD e sarà quello sempre presente. In tale regione è possibile definire e impostare le seguenti proprietà:
- Pressione di riferimento: è quel valore di pressione rispetto a cui sono calcolate le pressioni relative. Se ad esempio tutte le analisi sono effettuate su componenti che hanno un’uscita a pressione ambiente, si sarà interessati al valore di pressione relativo alla pressione ambiente. In questo caso sarà quindi da impostare il valore di riferimento come la pressione ambiente.
- Modello di galleggiamento: Qualora sia impostato un modello di fluido a densità differenziale (come, ad esempio, un fluido che si scalda), si avrà la genesi di flussi convettivi all’interno del fluido. Ecco che quindi è necessario definire il relativo modello di galleggiamento.
- Moto del dominio: Quando si ha la presenza di un moto relativo tra due zone di fluido, come nel caso di una girante, sarà necessario definire una regione di fluido separate dal dominio fisso. A seconda della tipologia di simulazione è possibile definire una rotazione stazionaria oppure una rotazione “reale” dove è proprio la mesh a girare (ma senza deformarsi). È sempre necessario definire un asse di rotazione ed una velocità di rotazione.
La seconda tipologia di dominio per l’analisi CFD è il dominio Solido. Questa tipologia di dominio viene utilizzata per modellare la presenza di un solido all’interno di un fluido. Viene utilizzato solamente per poter definire lo scambio termico tra fluido e solido immerso. Attenzione perché si usa solamente per conoscere il campo di temperatura all’interno del solido. Se la conoscenza del campo all’interno del solido non è richiesta, si deve sempre optare per la modellazione tramite pareti.
Infine, si ha il mezzo poroso. Questa modellazione si utilizza per definire quelle regioni dove la geometria è troppo complessa per poterla risolvere e si scegliere di darne una rappresentazione puramente numerica. Pertanto, invece si includere la geometria nell’analisi, con tutti i suoi dettagli, si inseriscono i suoi effetti, come la perdita di pressione ed il rallentamento del flusso. Come caso applicativo si pensi al dover simulare una spugna oppure una griglia.
I parametri da definire in questa zona sono:
- La porosità, ossia il rapporto tra volume fluido e volume totale. Se questo parametro è pari a 0, allora non si ha porosità mentre se è pari a 1, allora si avrà un tappo.
- Modello di perdita, che altro non sono che le leggi con cui si può definire la perdita di carico. Possono essere definiti in maniera diretta oppure tramite i modelli di Darcy.
Per comprendere quanto detto fino ad ora, si consideri un dominio fluido come quello in figura.
Sono presenti, rispettivamente:
- Dominio Fluido Puro
- Dominio Solido
- Mezzo Poroso
- Dominio Fluido Girante
Il fluido considerato ha una velocità in ingresso pari a 10 m/s. La girante gira ad una sua velocità (non è messa in moto dal fluido).
Si analizzeranno rispettivamente le singole caratteristiche di ogni zona diversa dal Dominio Fluido Puro, soprattutto guardando la zona di interfaccia.
La prima zona da analizzare è la zona solida. Si può notare come il tale zona non siano presenti linee di flusso, in quanto le zone solide non sono interessate da un flusso di materiale. E’ importante da tenere a mente che la modellazione di una zona sola conviene solamente quando si vuole conoscere la distribuzione termica all’interno del corpo. In tutti gli altri casi è più conveniente impostare la condizione al contorno di parete con la giusta schematizzazione termica.
Analizzando invece nel dettaglio la zona porosa, si può notare come sia presente un salto di velocità. Questo salto di velocità è dovuto alla variazione di area per via della porosità.
Nel caso in esame è stato impostato una porosità di 0.7. A livello formulistico si ottiene:
Calcolando la velocità a sinistra ed a destra della zona di interfaccia, si ottiene:
L’errore tra le due formulazioni è praticamente nullo.
A livello di salto di pressione statica, tale zona presenterà una diminuzione di pressione rispetto al fluido base. Infatti, l’aumento di velocità porta automaticamente ad una diminuzione di pressione.
Confrontando infine la zona di dominio fluido girante, l’unica nota interessante da notare è la possibilità di inserire zone mobili che possono essere utilizzate per lo studio delle turbomacchine. Calcolando infatti la coppia in quella zona e moltiplicandola per il valore dei giri al minuto, è possibile calcolare la potenza ricavabile dalla girante.
Queste qui elencate sono solamente alcune ipotesi di utilizzo. È possibile anche combinarle tra di loro (relativamente al moto). Per un utilizzo completo, si rimanda comunque alla guida del software scelto per effettuare le proprie simulazioni.
