La fluidodinamica numerica (CFD, Computational Fluid Dynamics) è lo studio del moto dei fluidi attraverso l’utilizzo del computer. Le equazioni che descrivono il moto di un fluido vengono quindi risolte grazie a tecniche di calcolo numerico.
Attraverso l’uso della CFD è possibile analizzare il moto di un fluido all’interno di un prodotto (fluidodinamica interna), oppure al suo esterno (fluidodinamica esterna). Nel primo caso, la CFD è ampiamente utilizzata per progettare condotti, nel secondo, per lo studio di edifici, ponti e per l’aerodinamica di veicoli e aerei. (1)
Oltre a poter visualizzare le linee di flusso, le zone di ristagno, i vortici come nelle immagini precedenti, è anche possibile calcolare varie grandezze fisiche come ad esempio: portata, velocità, pressione, temperatura. Inoltre, è possibile anche conoscere le performance del nostro progetto e capire se soddisfa le specifiche richieste.
La CFD è in pratica un sostituto virtuale di una galleria del vento o di un laboratorio sperimentale, utilizzabile però senza dover produrre un prototipo fisico.
I benefici per il progettista
L’uso della CFD nei processi di simulazione permette al progettista di testare il funzionamento del suo progetto senza dover costruire fisicamente un prototipo, con costi e tempi ridotti.
Inoltre, una volta creato il disegno 3D e il setup più congeniale per quel tipo di simulazione, quelle successivamente richieste per delle variazioni geometriche o dei valori delle grandezze fisiche in input, hanno un costo significativamente ridotto. Il progettista può quindi testare virtualmente decine e decine di configurazioni differenti, migliorando l’efficienza e qualità del suo prodotto.
Con gli esperimenti fisici è possibile anche misurare le grandezze di interesse solo un in numero limitato di posizioni. Con la simulazione, è possibile esaminare molte variabili in ogni punto della griglia di calcolo.
Il progettista poi riesce a ottenere anche una maggiore consapevolezza e sensibilità sul legame tra specifiche tecniche e la funzionalità fin dalle prime fasi di progetto, quando queste conoscenze hanno un’importanza maggiore, in quanto si devono prendere delle decisioni che influenzeranno tutto il progetto. (2)
Come introdurre l’analisi CFD nel processo di progettazione
È possibile effettuare le simulazioni CFD in-house, oppure è possibile servirsi di studi di consulenza esterni. Entrambe le soluzioni forniscono dei vantaggi e degli svantaggi. Sicuramente, avere un dipartimento interno aiuta nel mantenimento del know-how in azienda.
Conviene sicuramente delegare l’attività di simulazione ad un’azienda di consulenza quando ci si presenta un caso molto particolare che difficilmente verrà risimulato in altre occasioni: il know-how acquisito da questa attività non sarà probabilmente più necessario nel futuro dell’azienda.
Inoltre, è conveniente far effettuare le simulazioni a un consulente esterno quando ci approcciamo per la prima volta a uno specifico problema che si dovrà risolvere frequentemente in futuro. In questo caso, contrattualizzandolo correttamente, è possibile acquisire lo specifico know-how che l’azienda di consulenza ha maturato nel settore.
Non conviene assolutamente quando utilizziamo le simulazioni in maniera sistemica e per risolvere problemi molto vicini al nostro core-business. Questo caso rappresenta tutte le aziende di prodotto che effettuano le simulazioni per acquisire conoscenze su un loro specifico progetto. Per un’azienda che produce valvole, una simulazione effettuata da un’azienda esterna per il calcolo delle perdite di carico non poterà lo stesso beneficio che se fosse stata effettuata dai propri dipendenti.
Molto probabilmente, non è conveniente anche quando si sa che verranno effettuate molte simulazioni simili tra di loro, anche lontane dal core-business aziendale. È il caso, per esempio, delle simulazioni che si devono effettuare per ottimizzare l’areazione nelle sale server. In questo caso, la simulazione viene effettuata per migliorare un aspetto lontano dal core-business dell’azienda, ma è possibile sfruttare le similitudini fra i progetti per velocizzarla e automatizzarla.
Inoltre, esistono altre problematiche nell’affidare le simulazioni ad aziende di consulenza, tra cui una mancanza di controllo completo sulla qualità e correttezza del lavoro e sul rispetto delle tempistiche.
Cosa serve per poter effettuare un’analisi CFD in azienda
Nel momento in cui si scelga di effettuare le simulazioni in azienda, ci serve:
- Un analista CFD, normalmente un ingegnere meccanico o similare, con almeno 4-5 anni di esperienza specifica
- Un programma CAD di disegno 3D, per appunto disegnare la geometria
- Un programma di simulazione CFD
- Un supporto su cui fare girare la simulazione, che può essere una workstation aziendale oppure delle ore comprate su un cloud specifico
Non bisogna preoccuparsi troppo del tipo di workstation che si deve acquistare per poter fare delle simulazioni standard. È sufficiente una workstation con 8-12 processori fisici e 32 giga di RAM. Sono workstation che si trovano facilmente a poche migliaia di euro. L’ideale sarebbe avere un processore ogni milione di celle di mesh. Purtroppo, però, la licenza della maggior parte dei software ha una stretta limitazione sul numero di processori e di casi simulabili in contemporanea. Inoltre, non tutti i programmi hanno delle ottime prestazioni nel calcolo parallelo su molti processori. Se si deve scegliere, conviene assolutamente acquistare una workstation con un numero limitato di processori, ma più potenti.
La RAM impiegabile non è normalmente limitata dalle licenze, per cui si consiglia almeno 4 GIGA di RAM per processore. Gli altri componenti (scheda madre, scheda video, disco fisso), non hanno un’influenza significativa sulla durata e qualità della simulazione.
L’altra possibilità è l’acquisto di ore di calcolo su un cloud dedicato. Normalmente il prezzo è compreso fra 0.01 e 0.1 euro per CPU/Hour a seconda del tipo di processore. A questo prezzo, va aggiunta un eventuale maggiorazione per il costo della licenza. Questa possibilità è sicuramente vantaggiosa per chi effettua poche simulazioni all’anno oppure per chi ha bisogno di molti processori. È possibile arrivare ad usare anche 125 o 250 processori, riducendo enormemente i tempi di calcolo se non si scende al di sotto del milione di celle per processore.
Quale programma scegliere
Nel mondo ci sono più di 200 programmi per effettuare simulazioni fluidodinamiche. Spesso sembra davvero di essere in una jungla, con software che variano il nome, vengono combinati tra di loro, cambiano funzionalità versione dopo versione, etc.. etc..
In questa situazione è facile venire sopraffatti nel cercare di capire qual è il software più adatto alle varie esigenze. Un’altra variabile che complica la scelta è ovviamente il prezzo: si va da software completamente gratuiti ad alcuni che costano anche 100 mila euro all’anno.
È possibile però dividere questo mondo variopinto in quattro categorie a livello di costo crescente:
- Programmi Open-Source o basati su programmi Open-Source
- Programmi integrati nel CAD
- Programmi specializzati in particolari fisiche
- Programmi completi
Programmi open-source
Questo tipo di software (come openFOAM o SU2) è caratterizzato dalla possibilità di avere accesso al codice sorgente ed eventualmente modificarlo secondo le proprie esigenze. Normalmente sono creati da una community di persone senza scopo di lucro composta principalmente da professori universitari e dottorandi e sono normalmente gratuiti. Possono simulare praticamente qualsiasi fisica, a scapito di una notevole complessità di utilizzo. In aggiunta, spesso sono mancanti di una interfaccia grafica. Il metodo migliore per imparare ad usarli è effettuare diversi costi, ovviamente a pagamento.
In alternativa, ci sono altri programmi costruiti attorno ai programmi Open-Source per renderli di più facile utilizzo. Questi software utilizzano normalmente un’interfaccia grafica di facile utilizzo e guidano l’utilizzatore nella scelta dei settaggi più corretti. Essi automatizzano (chi più, chi meno) la simulazione, facilitando l’accesso ai programmi Open-Source. Alcuni di essi permetto l’esecuzione delle simulazioni su cloud specifici, tramite webb app dedicate. Ovviamente, è possibile poi creare dei programmi (chiamati “template” (3)) di ancor più facile utilizzo e customizzati perfettamente sulle esigenze della singola azienda.
I programmi Open-Source e i loro derivati sono indicati per chi si approccia alla simulazione e non vuole investire cifre importanti nell’acquisto del software. Oppure, per studenti o ricercatori che vogliono ricercare e simulare fisiche molto particolari.
Programmi integrati nel CAD
Questi programmi (ad esempio SolidWorks Flow Simulation, Autodesk CFD, ANSYS Discovery Live) sono in realtà dei plug-in completamenti integrati nel programma CAD. Il target sono i designatori e progettisti che normalmente hanno bisogno di simulare fisiche semplici: stazionarie, con un solo fluido incomprimibile. Di versione in versione, la precisione e le capacità di questi programmi stanno via via migliorando. Il loro scopo è permettere anche a chi non ha grandi competenze e conoscenze di effettuare in poco tempo simulazioni approssimate, in maniera intuitiva, “easy-to-use” per capire l’efficacia del loro progetto. Per questo motivo, normalmente hanno incorporato dei tool di preprocessing e di postprocessing completamente automatizzati.
Programmi specializzati in particolari fisiche
Questo gruppo racchiude programmi specializzati in particolari funzionalità e fisiche. In questa maniera, riescono ad avere un’ottima capacità di risolvere fenomeni complessi. Per esempio, CONVERGE è un software specializzato nella combustione, FINE/Marine nella simulazione multifase in ambito navale, CFX-Turbo per le turbomacchine, etc… etc… Hanno delle funzionalità relativamente limitate, ma raggiungono degli ottimi risultati nei loro ambiti. È la miglior scelta per aziende di prodotto che quindi effettuano quasi sempre simulazioni per la stessa applicazione.
Programmi completi
Sono il “Gold Standard” dei software CFD, permettono l’esecuzione di tantissimi tipi di simulazioni differenti, con risultati eccellenti. Il loro più grande difetto è il costo che può arrivare anche a diverse centinaia di migliaia di euro all’anno, a seconda dei numeri di processori utilizzabili. Questi software sono normalmente utilizzati da aziende di consulenza per la loro flessibilità e capacità di simulare molte fisiche diverse tra di loro oppure da grandi multinazionali.
Ulteriori considerazioni circa la scelta del programma da usare
Questa è ovviamente una divisione a grandi linee. Ogni anno i software vengono aggiornati e nelle nuove versioni si cerca di colmare le lacune presenti. Nei programmi incorporati nel CAD si cerca di inserire sempre nuove fisiche, al contrario, gli altri cercano di migliorare integrabilità con i vari programmi CAD. Prima di procedere all’acquisto di un software, è bene avere bene in mente il tipo e la frequenza di simulazione e la persona che le effettuerà.
Non ha senso acquisire un programma completo se effettivamente in azienda verranno effettuati solo pochi tipi di simulazione specifici o se si desidera utilizzare per validare le continue piccole modifiche al progetto. Nel primo caso, conviene utilizzare un programma studiato apposta per risolvere quella specifica fisica, nel secondo, uno che abbia una grande integrabilità con lo specifico software CAD usato dal disegnatore.
Conclusioni
Non è più possibile sviluppare un efficiente processo di progettazione senza l’utilizzo della simulazione numerica, sia che venga effettuata in-house oppure delegata a consulenti esterni. Essa ormai è indispensabile per ridurre i costi di progettazione e arrivare sul mercato in tempi più rapidi e con prodotti più efficienti. L’infrastruttura hardware, sia essa una workstation o ore su un cloud, su cui fare girare la simulazione e i tecnici o consulenti che effettivamente l’eseguono sono facilmente reperibili sul mercato. Con questa miniguida avete a disposizione anche gli elementi base per poter scegliere anche il software più adatto alle vostre esigenze. Avete tuti gli strumenti per poter introdurre la simulazione anche nella vostra azienda il prima possibile.
- Sobester, A. Forrester, Aircraft Aerodynamic Design, Geometry and Optimization, John Wiley & Sons, 2015
- Harries, Parametric Design and Hydrodynamic Optimization of Ship Hull Forms, Mensch & Buch Verlag, 2002
- A. Pasquinucci, L’uso dei “template” nel processo di democratizzazione dei programmi Open-Source, Simulation Summit 2021, Novembre 2021
