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Simulazioni CFD a canale singolo
Piero Danieli - Università degli Studi di Padova
Massimo Masi, Università degli Studi di Padova
Utilizzo del codice MULTALL nel progetto preliminare di turbine radiali con cassa a spirale priva di palette distributrici.
Il progetto preliminare di turbomacchine radiali è supportato da modelli CFD "a canale singolo", adatti a comparare soluzioni concettuali. Tali modelli però non si adattano a domini non periodici quali quelli di turbine con cassa a spirale. Si propone un approccio che rende tali domini periodici e che, implementato nel codice open-source MULTALL, consente risultati comparabili a quelli degli attuali codici commerciali applicati a domini non periodici.
INTRODUZIONE
Il progetto aerodinamico delle turbomacchine si basa su modelli matematici concepiti per generare, dapprima, una configurazione base in grado di soddisfare i requisiti e, successivamente, modificare i dettagli alla configurazione base, per un'ottimizzazione fine delle prestazioni.
In passato, sia il progetto preliminare che la successiva ottimizzazione venivano supportati da sperimentazione, onerosa in termini di tempo e costi.
A partire dagli anni '60 [1], la diffusione dei primi calcolatori ha aperto la strada alle simulazioni CFD - oggi divenute lo strumento principale per la validazione delle scelte progettuali - consentendo una significativa riduzione di test sperimentali su prototipo.
I modelli CFD possono essere applicati su domini circonferenzialmente completi (cioè che coprono tutti i 360 gradi di sviluppo circonferenziale della geometria della macchina), oppure su domini ridotti, che considerano solamente un volume fluido che include una delle palette della girante e che si ripete periodicamente uguale a se stesso per definire la geometria completa della macchina.
A parità di discretizzazione del dominio in termini di numero totale di celle, i domini ridotti consentono di ottenere risultati più accurati in termini di risoluzione spaziale oppure, a parità di risoluzione spaziale, permettono di ottenere risultati più rapidi o, in alternativa, di utilizzare minori risorse computazionali dei modelli completi. In passato, proprio la limitata disponibilità di risorse computazionali ha portato allo sviluppo di codici CFD in grado di operare esclusivamente su domini a canale singolo [2].
Codici di calcolo sviluppati in tempi più recenti permettono invece simulazioni su entrambi i tipi di dominio. Tuttavia, dato che i modelli completi richiedono maggiori tempi di calcolo e/o maggiori risorse computazionali, ancora oggi i modelli a canale singolo mantengono un ruolo rilevante nella fase di progettazione preliminare delle turbomacchine, dove è fondamentale valutare rapidamente un'ampia gamma di configurazioni al fine limitare il successivo processo di ottimizzazione di dettaglio.
Uno degli svantaggi del calcolo tradizionale su dominio ridotto è costituito dalla necessità di disporre di un dominio periodico.
Questo, ne impedisce l'uso per analisi di turbomacchine che includono componenti di geometria non periodica, quali le casse a spirale.
Sebbene con l'imposizione di condizioni al contorno idonee sia possibile l'analisi "per sottostrutture", considerando domini che includono la parte elementare della geometria periodica e il corrispondente tronco non periodico di cassa a spirale, come suggerito in [3], va evidenziato che tale possibilità impone la disponibilità di risultati di simulazioni preliminari su dominio completo, e risulta pertanto ancora decisamente poco attrattiva.
Invece, l'approccio a canale singolo qui proposto, e implementato nel codice CFD MULTALL, non richiede alcuna simulazione preliminare su dominio completo. MULTALL è , un applicativo "open-source" concepito per la simulazione della corrente relativa in singoli canali palari di turbomacchine assiali o radiali ad alta velocità [4].
L'adozione di questo codice di vecchia generazione (anni '80) è motivata dalla sua comprovata affidabilità, dalla semplicità della modellistica implementata - che si traduce in rapidità di calcolo con gli attuali calcolatori portatili -, e dall'ancora accettabile accuratezza - dimostrata anche di recente in [5] mediante simulazioni di ventilatori assiali a bassa velocità.
Il primo obiettivo di questa memoria è fornire una validazione numerica dell'approccio modellistico proposto, mentre il secondo obiettivo è dimostrare che codici di vecchia generazione, quali MULTALL, grazie all'inclusione dell'approccio modellistico qui proposto, sono in grado di fornire previsioni delle prestazioni globali di turbine radiali comparabili con quelle ottenibili da simulazioni più onerose effettuate Denton et al. [4] hanno rilasciato la versione open-source del codice, denominata
MULTALL.
Le attuali capacità modellistiche di MULTALL sono adatte anche alla fase di progettazione preliminare di turbine radiali con distributore palettato, nell'ipotesi in cui si considerino trascurabili gli effetti della cassa a spirale sull'aerodinamica della macchina.
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Il progetto aerodinamico delle turbomacchine si basa su modelli matematici concepiti per generare, dapprima, una configurazione base in grado di soddisfare i requisiti e, successivamente, modificare i dettagli alla configurazione base, per un'ottimizzazione fine delle prestazioni.
In passato, sia il progetto preliminare che la successiva ottimizzazione venivano supportati da sperimentazione, onerosa in termini di tempo e costi.
A partire dagli anni '60 [1], la diffusione dei primi calcolatori ha aperto la strada alle simulazioni CFD - oggi divenute lo strumento principale per la validazione delle scelte progettuali - consentendo una significativa riduzione di test sperimentali su prototipo.
I modelli CFD possono essere applicati su domini circonferenzialmente completi (cioè che coprono tutti i 360 gradi di sviluppo circonferenziale della geometria della macchina), oppure su domini ridotti, che considerano solamente un volume fluido che include una delle palette della girante e che si ripete periodicamente uguale a se stesso per definire la geometria completa della macchina.
A parità di discretizzazione del dominio in termini di numero totale di celle, i domini ridotti consentono di ottenere risultati più accurati in termini di risoluzione spaziale oppure, a parità di risoluzione spaziale, permettono di ottenere risultati più rapidi o, in alternativa, di utilizzare minori risorse computazionali dei modelli completi. In passato, proprio la limitata disponibilità di risorse computazionali ha portato allo sviluppo di codici CFD in grado di operare esclusivamente su domini a canale singolo [2].
Codici di calcolo sviluppati in tempi più recenti permettono invece simulazioni su entrambi i tipi di dominio. Tuttavia, dato che i modelli completi richiedono maggiori tempi di calcolo e/o maggiori risorse computazionali, ancora oggi i modelli a canale singolo mantengono un ruolo rilevante nella fase di progettazione preliminare delle turbomacchine, dove è fondamentale valutare rapidamente un'ampia gamma di configurazioni al fine limitare il successivo processo di ottimizzazione di dettaglio.
Uno degli svantaggi del calcolo tradizionale su dominio ridotto è costituito dalla necessità di disporre di un dominio periodico.
Questo, ne impedisce l'uso per analisi di turbomacchine che includono componenti di geometria non periodica, quali le casse a spirale.
Sebbene con l'imposizione di condizioni al contorno idonee sia possibile l'analisi "per sottostrutture", considerando domini che includono la parte elementare della geometria periodica e il corrispondente tronco non periodico di cassa a spirale, come suggerito in [3], va evidenziato che tale possibilità impone la disponibilità di risultati di simulazioni preliminari su dominio completo, e risulta pertanto ancora decisamente poco attrattiva.
Invece, l'approccio a canale singolo qui proposto, e implementato nel codice CFD MULTALL, non richiede alcuna simulazione preliminare su dominio completo. MULTALL è , un applicativo "open-source" concepito per la simulazione della corrente relativa in singoli canali palari di turbomacchine assiali o radiali ad alta velocità [4].
L'adozione di questo codice di vecchia generazione (anni '80) è motivata dalla sua comprovata affidabilità, dalla semplicità della modellistica implementata - che si traduce in rapidità di calcolo con gli attuali calcolatori portatili -, e dall'ancora accettabile accuratezza - dimostrata anche di recente in [5] mediante simulazioni di ventilatori assiali a bassa velocità.
Il primo obiettivo di questa memoria è fornire una validazione numerica dell'approccio modellistico proposto, mentre il secondo obiettivo è dimostrare che codici di vecchia generazione, quali MULTALL, grazie all'inclusione dell'approccio modellistico qui proposto, sono in grado di fornire previsioni delle prestazioni globali di turbine radiali comparabili con quelle ottenibili da simulazioni più onerose effettuate Denton et al. [4] hanno rilasciato la versione open-source del codice, denominata
MULTALL.
Le attuali capacità modellistiche di MULTALL sono adatte anche alla fase di progettazione preliminare di turbine radiali con distributore palettato, nell'ipotesi in cui si considerino trascurabili gli effetti della cassa a spirale sull'aerodinamica della macchina.
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Fonte: La Termotecnica giugno 2025
Settori: Fluidodinamica, Software di simulazione
Parole chiave: CFD
