5 - Simulazione CFD

<BODY TEXT=#000000 LINK=#0000FF VLINK=#FF0000 BGCOLOR=#800000 > <BASE TARGET="_top"> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:14pt;'>5 - SIMULAZIONE CFD </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:14pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:14pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>La simulazione CFD permette di simulare il moto di fluidi tramite la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes. La soluzione di tale equazioni porta in particolar modo a determinare e ricavare i campi di velocità, spostamento e pressione del fluido nel volume considerato. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Per poter effettuare tale modellazione è stato utilizzato il software Comsol, nel quale è stato importato il modello CAD del radiatore in formato *.stp. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Il modello cad costruito ed illustrato nella sezione 4 è molto complesso e l'elevato numero di superfici (incrementato con le numerose alette) portava ad un continuo errore all'interno di comsol per la definizione della mesh (ovvero non si riusciva a discretizzare il volume del radiatore in tanti volumetti). </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Il modello cad del radiatore utilizzato è stato semplificato eliminando le alette, eliminando lo smusso dalle vaschette e dai fasci tubieri. Il modello è illustrato in figura 1 sotto. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><IMG SRC="progetto_radiato_i000016.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=655 HEIGHT=327 > </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 1 - Modello cad per Comsol </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Una volta importato il file *.stp, il primo passo è stato quello di definire il volume di controllo. Si è scelto di prendere un volume relativamente grande in modo da limitare gli effetti di bordo (questa condizione è stata imposta per ottenere una solouzione più precisa ma non sarebbe stata prettamente necessaria) in modo tale da non avere problemi con la risoluzione lineare di Comsol. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'><IMG SRC="progetto_radiato_i000017.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=893 HEIGHT=454 > </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 2 - Volume di controllo </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=justify class=s0 style='text-align: justify;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Una volta disegnato il volume, è stata effettuata la sottrazione tra volumi ovvero BLK1-CO1 dove BLK1 è il blocco che indica il volume di controllo e CO1 indica il radiatore. Si ottiene così CO2, sottrazione dei 2 volumi. </FONT></DIV> <DIV ALIGN=justify class=s0 style='text-align: justify;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Il passo seguente è quello di inserire le condizioni al contorno per il volume CO2, in modo da impostare l'ambiente intorno al radiatore. Il componente è installato su una motocicletta quindi ci sarà una parte investita direttamente dall'aria, durante la marcia, che prende il nome d INLET. Dalla superficie posteriore del radiatore esce l'aria e quindi prende il nome di OUTLET. In figura 3 si riporta una vista superiore del radiatore (piano xy) per specificare le superfici.  </FONT></DIV> <DIV ALIGN=justify class=s0 style='text-align: justify;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><IMG SRC="progetto_radiato_i000018.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=851 HEIGHT=422 >  </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 3 - Superficie di Inlet ed Outlet </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Si sono impostate le boundary settings (condizioni al contorno) immettendo valori nelle superfici sopra indicate. Inizialmente si era scelto di impostare il valore di velocità in ingresso e in uscita, fissato a 30 m/s. Mandando in esecuzione il risolutore di Comsol però sorgevano dei problemi. La ricerca della soluzione non giungeva a convergenza e quindi non si riuscivano a calcolare successivamente i valori di velocità, pressione e forza che agiscono sulla superficie del radiatore. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Si è scelto quindi di impostare il valore di velocità, pari a 30 m/s, nella superficie di INLET e  di pressione, pari a 101325 Pa (pressione ambiente), nella superficie di OUTLET. Si effettua la mesh di CO2 e si manda in esecuzione il risolutore di Comsol. A questo punto è possibile visualzzare tutti i grafici relativi alle grandezze di interesse. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Prima di analizzare i grafici, si è resa necessaria una verifica. Con le operazioni sopra effettuate, l'aria attraversa realmente il radiatore?  </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Per valutare ciò si è costruito un volume di controllo che simulasse il radiatore posizionato su di un piano e non installato sulla moto (questo per rendere più veloce il calcolo dato che tanto si tratta solo di una verifica). </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><IMG SRC="progetto_radiato_i000019.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=941 HEIGHT=481 > </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 4 - Slice plot per verifica passaggio aria </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=justify class=s0 style='text-align: justify;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Come si nota dallo slice-plot della velocità dell'aria, il grafico attraversa il radiatore. Questo indica che l'aria attraversa realmente la superficie del radiatore e quindi ci permette di procedere con la nostra analisi CFD. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Si riportano quindi alcuni grafici significativi: </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0 style='list-style-type:disc;text-indent: -10mm;margin-left: 13mm;'> <LI><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I>streamline della velocità dell'aria </I></FONT></LI></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I> </I></FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I><IMG SRC="progetto_radiato_i00001a.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=1038 HEIGHT=552 > </I></FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'><I></I></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 5 - Streamline delle velocità attraverso il radiatore </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>L'aria parte dal lato della superficie di inlet con la velocità imposta, 30 m/s. Quando il flusso d'aria impatta con il radiatore, la velocità diminuisce perchè trova come ostacolo la superficie del radiatore e le alette (sono state simulate lasciando solo la loro sede ma si ottiene comunque un'ottima approssimazione). Inoltre si nota come l'aria, impattando con le vaschette poste lateralmente, venga convogliata in un flusso più centralizzato. L'avanzare poi dell'aria ha l'effetto di richiamo per l'altra aria e quindi il flusso in uscita risulta ancor più centralizzato. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Unico risultato che non trova una spiegazione molto logica è l'aumento di velocità nell'ultimo tratto. Tale risultato potrebbe essere imputato al volume di controllo; d'altronde si è scelto questo volume di controllo perchè era l'unico che portava il risolutore di Comsol a soluzione senza interrompere le iterazioni per la convergenza della soluzione ed è quindi da ritenere corretto. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0 style='list-style-type:disc;text-indent: -10mm;margin-left: 13mm;'> <LI><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I>caduta di pressione </I></FONT></LI></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I> </I></FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I></I></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Si è effettuata prima di tutto l'analisi di caduta della pressione dell'aria nel passaggio attraverso il radiatore . In accordo col testo del Bocchi,Motori a quattro tempi, si deve avere: </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Pout=0.99Pin </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>ovvero la caduta di pressione al Boundary 2(outlet) deve essere pari circa all'1% della pressione imposta al Boundary 5 (inlet); </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'><I><IMG SRC="progetto_radiato_i00001b.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=808 HEIGHT=444 > </I></FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-size:11pt;'><I></I></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 6 - Andamento pressione </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Come si nota dal grafico sopra si ha in ingresso una pressione di 102664 Pa e in uscita una pressione di 101325. Facendo il rapporto tra  Pout e Pin, si ottiene esattamente 0.99. Ciò indica un corrretto dimensionamento. </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Dalla figura si evince che il pacco radiante funge per una piccola quota parte da ostacoolo per il moto dell'aria. Infatti dove l'aria impattando in modo ortogonale alla superficie frontale (in particolar modo la sezione superficie dritta) si registra un valore di pressione leggermente più elevato della pressione atmosferica. Questo è indice che non c'è pressione dinamica in tale zona(in accordo col trinomio di Bernoulli) e quindi non c'è aumento di velocità. (Questa asserzione non è errata poichè si sta effettuando un'analisi statica e quindi è come fotografare il radiatore all'istante iniziale in una determinata configurazione,senza considerare lo scorrere del tempo). Le zone in colorazione di rosso più chiaro o giallo stanno ad indicare una diminuzione di pressione(in accordo con l'aumento di velocità nelle corrispettive zone, raffigurate in figura 3) . </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0 style='list-style-type:disc;text-indent: -10mm;margin-left: 13mm;'> <LI><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I>forze agenti sulla superficie radiatore </I></FONT></LI></DIV> <DIV class=s0 style='list-style-type:disc;text-indent: -10mm;margin-left: 13mm;'> <LI><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I> </I></FONT></LI></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><I></I></FONT><FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Infine si sono calcolate le forze agenti sulla superficie inlet del radiatore. </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'><IMG SRC="progetto_radiato_i00001d.jpg" BORDER=0 ALIGN=MIDDLE WIDTH=987 HEIGHT=445 > </FONT></DIV> <DIV ALIGN=center class=s0 style='text-align: center;'> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Fig 7 - Forze agenti sulla superficie inlet </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'> </FONT></DIV> <DIV class=s0> <FONT style='color:#FFFFFF;font-family:"Verdana";font-size:11pt;'>Sulla superficie "spingono" 807N, valore del tutto accettabile considerando la velocità alla quale si è effettuata la simulazione. </FONT></DIV>