Termo-fluidodinamica numerica applicata agli scambi termici e HVAC

CFDBTA14

Docenti

Prof. Fausto Arpino - Università di Cassino

Descrizione Introduttiva

La fluidodinamica computazionale (CFD) consiste nello studio di problemi inerenti il moto dei fluidi, la trasmissione del calore e fenomenologie associate mediante simulazioni al calcolatore. In ambito industriale, la CFD sta riscuotendo un interesse sempre crescente come strumento di supporto sia alla progettazione che all’ottimizzazione di componenti e sistemi il cui funzionamento è basato sui principi della termofluidodinamica. Mentre infatti in passato tali tecniche erano utilizzate prevalentemente in ambiente accademico, sviluppate prevalentemente nel corso specifici programmi di ricerca, l'attuale disponibilità, a prezzi relativamente contenuti, di calcolatori dalla notevole potenza di calcolo e di software commerciali dotati di sofisticate interfacce utente hanno reso la fluidodinamica computazionale (CFD) facilmente utilizzabile nell'analisi di problemi ingegneristici in ambito industriale. In particolare, la fluidodinamica computazionale è ad oggi applicata con successo e con evidenti vantaggi economici ad una vasta gamma di problemi, tra cui: analisi aerodinamica di veicoli e velivoli; analisi idrodinamica di navi; processi di combustione; analisi di flussi all'interno di turbomacchine; studio di processi chimici; previsioni meteorologiche; studio di problemi biologici in ambito medico; modellazioni di sistemi di riscaldamento/climatizzazione, comfort termico, etc. Va tuttavia evidenziato che, sebbene i moderni codici di calcolo commerciali mettano a disposizione dell'utente la possibilità di trattare complessi problemi multi-fisici, l'utilizzo di tali software richiede delle conoscenze di base multidisciplinari, che spaziano dalla capacità di lavorare con complesse equazioni differenziali alle derivate parziali, alla conoscenza ingegneristica approfondita delle fenomenologie da modellare, fino alla conoscenza degli aspetti inerenti le misure termofluidodinamiche, necessarie ad una corretta validazione dei risultati ottenuti. L’utilizzo delle tecniche di indagine basate sulla CFD, a valle di una opportuna validazione dei risultati, consente quindi una notevole riduzione dei tempi di progettazione e di sviluppo di un prodotto ed una conseguente sensibile riduzione dei costi.
Per quanto fin qui esposto, risulta evidente che la fluidodinamica computazionale risulta essere particolarmente utile in ambito “Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC)”. La possibilità di descrivere in modo dettagliato i flussi di energia e di massa in regime laminare e turbolento, in convezione forzata e naturale, in condizioni stazionarie o transitorie, consente di ottenere informazioni dettagliate sulla distribuzione delle grandezze di interesse, difficilmente ottenibili sperimentalmente.

Obiettivi del corso

L'obiettivo del corso è fornire gli strumenti teorici e pratici necessari all’utilizzo critico delle moderne tecniche di analisi numerica ingegneristica dei complessi problemi di scambio di massa, quantità di moto e di energia nei fluidi. Oltre ai necessari richiami matematici ed all’approfondimento dei concetti base inerenti i meccanismi di scambio termico, il corso presenta i concetti base inerenti le formulazioni matematiche e gli algoritmi numerici comunemente utilizzati per la risoluzione delle equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell’energia. In particolare, tra gli obiettivi del corso rientra l'approfondimento delle problematiche, sia teoriche che pratiche, inerenti la risoluzione numerica di problemi di trasmissione del calore e di flussi incomprimibili non isotermi mediante formulazione ai volumi finiti ed agli elementi finiti, fornendo agli studenti gli strumenti necessari non solo alla caratterizzazione del problema, ma anche alla corretta imposizione delle condizioni ai limiti. In tal modo, gli studenti riceveranno gli strumenti necessari per affrontare efficacemente la modellazione numerica dei problemi più comuni nell’ambito delle applicazioni industriali di tipo “Heating, Ventilation and Air Conditioning”, HVAC.

Programma

Prima Giornata
9.30 Richiami di Termodinamica
10.30 Richiami sui meccanismi base di trasmissione del calore
11.30 Pausa caffé
11.45 Analisi termodinamica degli scambiatori di calore
13.30 Pausa Pranzo
14.00 Analisi termodinamica degli scambiatori di calore
15.00 Pausa caffé
15:15 Introduzione alle equazioni del moto dei fluidi
16.15 Equazioni di conservazione delle massa, della quantità di moto e dell’energia
17:45 Riepilogo e saluto

Seconda Giornata
9.30 Teoria dello strato limite: flusso laminare su lastra piana e nei condotti
11.00 Pausa caffé
11.15 Flussi turbolenti ed introduzione alla modellazione della turbolenta (modelli RANS e cenni su modelli LES, DES e DNS)
13.30 Pausa Pranzo
14.00 Metodi numerici per la risoluzione delle equazioni del moto dei fluidi: metodo dei volumi finiti e metodo degli elementi finiti
15.30 Pausa caffé
15:45  Esempi applicativi: casi benchmark di flussi laminari e turbolenti
17:45 Conclusione

Destinatari

Tecnici progettisti che desiderano apprendere o approfondire i concetti base inerenti le moderne tecniche di simulazione numerica, quale utile strumento di supporto per la progettazione e l’ottimizzazione di componenti termodinamici impiegati in ambito “Heating, Ventilation and Air Conditioning”, HVAC, nel settore industriale, attraverso l’approfondimento teorico e numerico dei fenomeni di trasporto di massa, energia e quantità di moto ad essi associati.

Prerequisiti

Il corso è destinato a tecnici e laureati in ingegneria con conoscenze di base inerenti la termodinamica e la trasmissione del calore.

Materiale didattico

Copia delle diapositive utilizzate durante il corso.