Affrontare e vincere le principali sfide della simulazione fluidodinamica CFD

Le risposte proposte indicavano le quattro principali fasi del processo di una analisi fluidodinamica:

• La preparazione e trattamento della geometria per renderla utilizzabile dal mesher
• La creazione della griglia fluidodinamica
• I tempi di calcolo legati alla soluzione numerica
• La fase di visualizzazione e condivisione dei risultati

Questo è l’esito del sondaggio:

Nel seguito proviamo a analizzare e contestualizzare questi risultati. Indicando anche come queste sfide possano essere affrontate e vinte grazie alla tecnologia di simulazione di Siemens Digital Industries Software.

Il primo passo che si compie nella creazione di un modello fluidodinamico CFD è quello legato al trattamento della geometria. Nella nostra esperienza una geometria CAD pensata per andare in produzione non è quasi mai immediatamente utilizzabile per una simulazione CFD. Per numerosi motivi:

• La presenza di dettagli geometrici funzionali al montaggio del sistema che spesso si trovano in zone di scarso interesse ai fini dell’analisi e hanno l’unico effetto di complicare il modello. Questi dettagli devono essere rimossi prima di cominciare a costruire la mesh.
• Capita molte volte che la geometria non sia perfettamente “watertight”, a tenuta stagna, in maniera da delimitare in maniera chiara il volume del dominio fluido. Occorre aggiustare la geometria andando a rimuovere i passaggi non desiderati di fluido tra interno ed esterno.
• Tipicamente con il CAD si realizza il volume del “solido” mentre per l’analisi CFD occorre il suo complemento. Servono comandi di modellazione geometrica oppure strumenti automatici per il riconoscimento del volume del “fluido”.
• Si vuole utilizzare l’analisi fluidodinamica per delle analisi “what-if”, per vedere l’effetto delle modifiche geometriche sul comportamento termo-fluidodinamico. Per farlo occorre riuscire a parametrizzare forma e posizione delle parti nel modello CFD.

Vediamo come queste esigenze vengano soddisfatte con i vari strumenti di simulazione di Siemens.

Simcenter FloEFD affronta il problema del trattamento della geometria in maniera semplicemente brillante: pensa lui a fare tutto! Dato che il suo funzionamento avviene all’interno di un modellatore CAD, Simcenter FloEFD possiede un automatismo che è in grado di rilevare automaticamente il volume del fluido partendo dalle superfici bagnate interne ed esterne ai corpi dell’assieme. In base al tipo di analisi che si vuole eseguire, FloEFD è in grado di individuare da solo le varie cavità presenti nel modello e permette all’utente di includerle o meno nell’analisi.

Quando la geometria non è in grado di delimitare un volume chiuso (ovvero non è watertight), l’utente ha a disposizione uno strumento visuale che aiuta a individuare rapidamente dove si trova la falla da tappare, su cui intervenire con i comandi di modellazione geometrica del CAD. Grazie alla stretta integrazione con il modellatore geometrico, Simcenter FloEFD permette di eseguire facilmente studi fluidodinamici parametrici e ottimizzazioni del progetto.

Identificazione automatica del volume fluido con Simcenter FloEFD per Solid Edge

Le fondamenta del modellatore di Simcenter 3D sono basate sul CAD NX di Siemens, probabilmente il migliore modellatore geometrico attualmente sul mercato. Grazie ai comandi di modellazione diretta offerti dalla Tecnologia Sincrona di NX, l’utente di Simcenter 3D dispone di tutte le funzioni necessarie per ripulire, semplificare e idealizzare la geometria oggetto dello studio.

Inoltre è disponibile un comando “wrapper” che permette di approssimare e semplificare automaticamente le superfici del volume fluido per renderle più facilmente gestibili dal mesher. Anche in questo caso, alla stretta integrazione con il modellatore geometrico, Simcenter 3D aiuta la realizzazione di studi fluidodinamici parametrici e l’ottimizzazione del progetto.

Riconoscimento automatico del volume fluido con Simcenter 3D

Benché Star-CCM+ disponga di un modellatore geometrico interno, le operazioni di modifica della geometria sono demandate al CAD con cui è stato realizzato il progetto. In questo caso il punto di forza di Simcenter Star-CCM+ sono i connettori diretti con i vari sistemi CAD che abilitano lo scambio bidirezionale delle informazioni.

È attraverso questo collegamento con il CAD nativo che è possibile aggiornare il modello per gli studi what-if e l’esplorazione dello spazio di progetto: l’ottimizzatore di Star-CCM+ pilota il CAD parametrico per modificare la geometria. Star-CCM+ permette di lavorare in maniera indistinta con superfici di tipo NURBS e con superfici triangolarizzate STL, offrendo maggiore flessibilità per ripulire e approssimare le forme geometriche con il wrapper. Anche Star-CCM+ dispone degli strumenti che servono per riconoscere automaticamente il volume del fluido interno ed esterno.

Esplorazione dello spazio di progetto collegando il CAD 3D a Simcenter Star-CCM+

Una volta che la geometria è stata ripulita dai dettagli non funzionali all’analisi e dopo aver identificato il volume del fluido da modellare, giunge il momento della costruzione della griglia fluidodinamica. Anche questo aspetto è fondamentale per la buona riuscita dell’analisi CFD.

• Una discretizzazione non ottimale del modello può portare ad approssimazione o addirittura a errori nei risultati dell’analisi.
• La griglia deve essere in grado di catturare correttamente i dettagli geometrici, seguendo la curvatura delle superfici ed evitando di introdurre approssimazioni dovute all’eccessiva poligonalizzazione.
• Il modello CFD deve possedere la giusta risoluzione spaziale. Ciò serve per simulare sia l’andamento del flusso principale che il comportamento dello strato limite in prossimità delle pareti.
• Tutto ciò tenendo sotto controllo il numero di celle complessivo del modello per riuscire a ottenere i risultati in tempi ragionevoli (di questo parleremo più approfonditamente nel prossimo paragrafo).

Le tre soluzioni di analisi fluidodinamica di Siemens mettono a disposizione dell’utente vari approcci per poter ottenere rapidamente una mesh di buona qualità.

Simcenter FloEFD utilizza un approccio alla modellazione CFD differente rispetto alla maggior parte dei software di analisi fluidodinamica, basato sulla tecnologia SmartCells. Provando a spiegarla in maniera molto sintetica, le SmartCells sono celle di tipo cartesiano (dei cubi) create in automatico che inglobano il dominio di calcolo. Quando una SmartCell interseca il bordo del dominio fluido e solido, essa viene “ritagliata” dalla superficie del modello ottenendo di fatto una cella poliedrica. Il mesher possiede dei criteri automatici per decidere l’infittimento locale della griglia in prossimità di dettagli quali spigoli e raccordi, oppure per discretizzare meglio il passaggio del fluido attraverso due pareti molto vicine tra loro.

Oltre a questo, l’utente ha a disposizione una serie di controlli manuali con cui andare a infittire localmente la griglia nelle zone in cui ritiene opportuno farlo. Inoltre è possibile impostare dei livelli di raffinamento automatico che permettono al solutore di infittire localmente la mesh nelle zone in cui i gradienti dei risultati risultano elevati nel passaggio tra due celle contigue. Tutto questo, con l’obiettivo di garantire la massima automatizzazione della fase di meshing e allo stesso tempo la massima accuratezza dei risultati.

Simcenter 3D dispone del modulo Advanced CFD Mesher che mette a disposizione dell’utente i tipici strumenti di meshing fluidodinamica. In particolare permette la modellazione dello strato limite a parete utilizzando un approccio semi-strutturato, per poi riempire il resto del volume con celle tetraedriche. Il mesher di Simcenter 3D permette anche la transizione tra celle di forma cubica e i tetraedri attraverso celle di forma piramidale.

Oltre a questo tipo di modellazione il Flow Solver di Simcenter 3D dispone di due algoritmi automatici per riempire il volume del fluido con celle tetraedriche oppure utilizzando l’approccio Immersed Boundary Method che utilizza un approccio di mesh cartesiana per poi andare a ritagliare e raffinare le celle in prossimità delle pareti.

Da notare che l’ambiente Advanced CFD Mesher di Simcenter 3D può esportare il modello anche verso i principali solutori commerciali, quali ad esempio Fluent, CFX o Star-CCM+, rendendolo di fatto il fulcro per qualsiasi workflow di simulazione fluidodinamica.

Quando si parla di costruzione di una griglia fluidodinamica, Simcenter Star-CCM+ è sicuramente lo strumento più avanzato disponibile sul mercato. Per quanto riguarda i dettagli geometrici, Star-CCM+ dispone di potenti algoritmi di mesh-on-mesh superficiale che permettono la realizzazione di griglie molto fedeli partendo anche da superfici STL.

Inoltre Star-CCM+ è stato il pioniere nella costruzione della mesh di tipo poliedrico, ovvero con celle che non necessariamente devono rispettare una forma ben definita come il Cubo, il Prisma, la Piramide o il Tetraedro. Questo approccio offre due grossi vantaggi. Il primo è che con le celle poliedriche si riesce sempre a riempire un volume in maniera automatica. La seconda è che le celle poliedriche, per la loro stessa formulazione, offrono una velocità di convergenza dell’analisi superiore rispetto a una mesh non strutturata con tetraedri. Le celle poliedriche inoltre possono essere di tipo non strutturato oppure di tipo strutturato: nel dominio principale del flusso la griglia è formata da cubi che vengono poi ritagliati e infittiti nella zona di intersezione con le pareti.

Tutte queste funzioni, unite a un boundary layer mesher molto robusto e affidabile, e al remesh adattativo durante il calcolo, consentono la creazione di modelli CFD accurati praticamente per ogni geometria possibile.

Uno dei principali colli di bottiglia delle simulazioni fluidodinamiche rimane quello dei tempi di calcolo delle analisi. Da una parte la CFD è una tecnica numerica particolarmente onerosa in termini di risorse di calcolo, dall’altra le semplificazioni e gli automatismi nella costruzione della mesh portano a realizzare modelli sempre più grandi.

Fortunatamente l’approccio CFD basato sul metodo dei volumi finiti permette un’ampia scalabilità e parallelizzazione del calcolo. Questa proprietà del metodo numerico, unita alla disponibilità di hardware con processori multi-core e di sistemi Cloud HPC (High Performance Computing) accessibili on-demand, consente oggi l’analisi di modelli molto grandi in tempi compatibili con le esigenze della progettazione.

L’approccio di Simcenter FloEFD è basato non solo sulle SmartCells per discretizzare i volumi, ma anche sull’utilizzo delle leggi di parete per modellare il comportamento dello strato limite, e su un modello di turbolenza proprietario in grado di gestire automaticamente la transizione tra flusso laminare e turbolento. Questo vuol dire che tipicamente un modello di Simcenter FloEFD possiede molte meno celle e richiede meno iterazioni di messa a punto rispetto a quelle necessarie per avere il solito livello di accuratezza con un approccio CFD più “ortodosso”.

Inoltre il solver di Simcenter FloEFD permette la parallelizzazione del calcolo su sistemi a memoria condivisa, ovvero un singolo computer che dotato di più CPU e più core. Questo contribuisce a ridurre ulteriormente i tempi di calcolo, rendendo Simcenter FloEFD uno strumento adatto a studi preliminari e esplorazione di varianti in fase di progetto.

Analisi transitoria di flusso bifase VOF (Volume of Fluid) con Simcenter FloEFD

Anche i moduli Simcenter Flow e Simcenter Thermal, essendo entrambi basati sul metodo dei volumi finiti, dispongono di un modulo HPC Multiphysics permette la parallelizzazione del calcolo sia su sistemi a memoria condivisa (= singola workstation multi-core) sia su sistemi a memoria distribuita (= un cluster di computer in rete). Questa parallelizzazione abilita anche l’utilizzo della GPU per il calcolo dei fattori di vista nei calcoli termici e termo-fluidodinamici con scambio di calore per irraggiamento.

Star-CCM+ rappresenta il riferimento in termini di prestazioni di calcolo e scalabilità nelle simulazioni fluidodinamiche e multifisiche. In particolare l’utilizzo delle licenze di tipo Power-on-Demand e Power Session abilita tutte le fisiche e i solutori di Star-CCM+, per correre su un numero virtualmente illimitato di solutori. Tutto ciò, unito all’utilizzo delle mesh poliedriche, aiuta a gestire modelli molto complessi e studi di ottimizzazione con tempi di risposta finalmente compatibili con quelli dello sviluppo del prodotto.

Inoltre grazie alla disponibilità di sistemi HPC Cloud come Rescale, che dispongono di installazioni pre-configurate di Star-CCM+, ogni azienda è oggi in grado di accedere alla una potenza di calcolo necessaria per le proprie simulazioni, facilmente e a un costo contenuto.

Simulazione dell’aerodinamica esterna di una GT Le Mans eseguita con Simcenter Star-CCM+

Benché questo aspetto sia risultato quello meno votato del sondaggio, rappresenta comunque un aspetto importante del workflow delle analisi CFD. È infatti a questo punto che l’ingegnere deve interpretare i risultati dell’analisi e condividere le informazioni con i colleghi, per prendere la decisione giusta per il progetto. Oltre agli strumenti di visualizzazione e post-processing tradizionali, il software CFD deve disporre di funzioni specifiche per la reportistica e la condivisione.

Simcenter FloEFD mette a disposizione dell’utente una raccolta di strumenti per la visualizzazione dei risultati facilmente accessibili e utilizzabili. Oltre alle funzioni tradizionali tipiche dei visualizzatori CAE, FloEFD dispone di un pannello dedicato per la visualizzazione grafica del flusso di calore all’interno del modello. Si tratta di uno strumento unico nel suo genere, che aiuta il progettista a capire quale sia il percorso del calore attraverso le varie parti dell’assieme, con cui poi decidere la strategia migliore di raffreddamento del sistema. Inoltre Simcenter FloEFD dispone di un FloEFD Viewer che permette di condividere delle vere e proprie Scene 3D interattive con la possibilità di animare i risultati.

Simcenter 3D dispone di Template che permettono di standardizzare la visualizzazione dei risultati per favorire il confronto tra varianti del solito progetto.
Simcenter 3D è perfettamente integrato con l’ambiente PLM Teamcenter for Simulation di Siemens che permette l’archiviazione dei dati della simulazione e la condivisione di anteprime e dei risultati principali nel formato JT, in modo da poterli visualizzare e interpretare anche da chi non conosce la modellazione CFD.

La visualizzazione di modelli sempre più grandi spinge gli utenti a confrontarsi con i colli di bottiglia legati alla manipolazione di grosse quantità di dati. Simcenter Star-CCM+ non solo dispone di strumenti di visualizzazione molto efficaci che eliminano il bisogno di spostare file di dati di grandi dimensioni, ma grazie al suo sistema di scripting in Python permette la completa automatizzazione del post-processing del modello.

Con Simcenter STAR-CCM+ e gli add-on Simcenter STARCCM+ Viewer e Simcenter STARCCM+ Virtual Reality è possibile creare report ricchi di informazioni e grafici visivamente accattivanti in un unico ambiente, analizzare e confrontare facilmente i risultati di centinaia di simulazioni, condividere facilmente le informazioni che servono all’interno del gruppo di lavoro.

Navigazione in Realtà Virtuale di un modello CFD con Simcenter Star-CCM+ VR

Le soluzioni di Siemens DISW sono in grado di soddisfare le esigenze degli analisti CFD in tutte e quattro le fasi principali del workflow:

• Trattamento della geometria
• Generazione della griglia
• Tempi di calcolo
• Condivisione dei risultati

Lo fanno con approcci differenti tra loro per venire incontro a molteplici tipi di utilizzatore e modelli d’uso.
Vediamo rapidamente le loro caratteristiche principali.

È la soluzione ideale sia per simulazioni preliminari che per verifiche di dettaglio di sistemi termo-fluidodinamici. Utilizza un approccio differente rispetto alla maggior parte dei software CFD. Permette la massima automazione del processo di analisi e l’integrazione con la maggior parte dei software CAD, tra cui Solid Edge e NX. Nel video seguente viene mostrato un workflow di analisi termo-fluidodinamica con Simcenter FloEFD per Solid Edge:

Per maggiori informazioni: https://floefd.smartcae.com/

La piattaforma per la simulazione multidisciplinare di Siemens DISW che tra gli altri comprende ambienti per l’analisi strutturale, dinamica, acustica, multi-body e, ovviamente l’analisi termo-fluidodinamica. I solutori Thermal e Flow di Simcenter 3D sono integrabili con gli altri ambienti della suite permettendo la creazione di modelli multifisici. Essendo basato su NX, abilita un elevato livello di personalizzazione grazie alle API NX Open che permettono workflow CFD automatici quello mostrato in questo video:

Per maggiori informazioni: https://simcenter-3d.smartcae.com/

È riconosciuto per essere lo strumento di analisi fluidodinamica CFD commerciale più evoluto disponibile sul mercato. Dispone di modelli matematici molto avanzati che permettono la simulazione di fenomeni fluidodinamici molto complessi. Oltre alla meccanica dei fluidi Star-CCM+ permette la modellazione di fenomeni strutturali, elettromagnetici, reologici e per numerose altre discipline.

Per maggiori informazioni: https://starccm.smartcae.com