Confronto qualitativo tra il fenomeno cavitativo rilevato sperimentalmente (Exp.) e previsto numericamente (CFD) per l’elica E779A. (Foto sperimentale per gentile concessione del CNR-INSEAN).
L’uso della termofluidodinamica computazionale, in breve CFD, nella progettazione e ottimizzazione delle turbomacchine idrauliche e dei propulsori navali, ha visto negli anni crescere in maniera esponenziale il proprio campo di applicazione. Nell’impresa slovena Kolektor-Turboinštitut d.o.o. di Ljubljana, specializzata nello sviluppo, produzione e refurbishment di pompe e turbine di piccola taglia, le analisi CFD vengono utilizzate in modo sistematico.
di Dragica Jošt, Aljaž Škerlavaj, Mitja Morgut, Enrico Nobile (*)
La termofluidodinamica computazionale – in breve CFD, Computational Fluid Dynamics –, vale a dire la previsione del comportamento di un fluido in moto attraverso metodi numerici, negli anni ha visto crescere in maniera esponenziale il proprio campo di applicazione. Di fatto, se negli anni ’70-’80 la CFD era principalmente utilizzata, al di fuori dell’ambiente accademico, in campo aeronautico per problemi di aerodinamica esterna, oggi essa viene largamente impiegata come strumento di supporto allo sviluppo di sistemi e processi che implicano un fluido di lavoro.
L’incremento delle applicazioni CFD è spiegato dal costante aumento delle potenze di calcolo disponibili, dal continuo sviluppo di modelli matematici sempre più raffinati e dall’implementazione di metodi numerici sempre più efficienti, ma non solo. Infatti, se agli albori della CFD i codici numerici erano una prerogativa dei soli centri di calcolo più illustri ed esigevano un elevatissimo grado di specializzazione, la successiva apparizione di codici commerciali, in generale più intuitivi e di più facile utilizzo, ha permesso a questa tecnologia di essere progressivamente accolta nel mondo della progettazione industriale anche nei settori storicamente più conservativi.
Visualizzazione delle bolle di cavitazione sulle pale di una turbina Kaplan e rappresentazione dell’andamento del flusso mediante linee di corrente.
PRODUZIONE DI POMPE E TURBINE
Nel caso dell’impresa slovena Kolektor-Turboinštitut d.o.o. di Ljubljana, specializzata nello sviluppo, produzione e refurbishment di pompe e turbine di piccola taglia, le analisi CFD vengono utilizzate in modo sistematico. Nel tipico ciclo produttivo diverse soluzioni sono analizzate con modelli virtuali e alla fine il modello migliore viene validato con le prove sperimentali. In questo modo, abbinando l’analisi CFD con la verifica sperimentale, è possibile fornire un prodotto di altissima qualità nei tempi dettati dalle esigenze di mercato.
Di recente, al fine di incrementare la propria competitività attraverso l’uso delle più moderne tecniche di previsione numerica coadiuvate da opportune strategie di ottimizzazione, Kolektor-Turboinštitut d.o.o, assieme al gruppo di ricerca di Fisica Tecnica del Dipartimento di Ingegneria e Architettura dell’Università di Trieste, ha preso parte al progetto europeo ACCUSIM (www.accusim.eu) il quale mira a sviluppare procedure avanzate per la previsione delle prestazioni e ottimizzazione di macchine idrauliche ed eliche marine.
Nel caso delle turbomacchine idrauliche e delle eliche marine, per un corretto dimensionamento risulta vantaggioso poter prevedere ad esempio l’eventuale apparizione di bolle (strutture) di vapore sulle superfici delle pale soggette a elevate depressioni. Il fenomeno dell’apparizione di tali bolle, noto come cavitazione, in generale incide in maniera negativa sulle prestazioni della macchina e inoltre può essere fonte di rumore e di erosione. Ne consegue che disporre di uno strumento con il quale poter prevedere in fase progettuale l’eventuale insorgenza della cavitazione e migliorare di conseguenza il progetto della macchina risulta essere un elemento di sicuro vantaggio.
Per questo motivo, nell’ambito del progetto ACCUSIM, sono state sviluppate delle procedure di calcolo non solo per la previsione delle prestazioni globali di eliche marine, turbine e pompe idrauliche, ma anche per l’analisi mirata di fenomeni locali caratteristici per questo tipo di macchine, quali appunto la cavitazione.
Strutture turbolente a valle del rotore di una turbina assiale.
IL SOFTWARE ANSYS
Le procedure sono state implementate utilizzando il software commerciale ANSYS-CFX (www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-CFX) e codici a sorgente aperto dove i modelli di cavitazione adottati sono stati in precedenza opportunamente calibrati attraverso il framework di ottimizzazione modeFRONTIER (www.esteco.com/modefrontier).
Oltre ai modelli di cavitazione, un ruolo fondamentale sulla qualità delle soluzioni CFD viene giocato dal grado di risoluzione delle strutture turbolente presenti nel flusso.
Poiché con l’aumentare del grado di risoluzione cresce anche l’onere computazionale, nell’ambito del progetto ACCUSIM, in generale, per prevedere il trend dei vari design vengono utilizzati dei modelli semplificati, mentre per le validazioni finali del progetto o per l’indagine di dettagli vengono sfruttati i modelli più avanzati/accurati, in grado di risolvere e catturare le strutture turbolente responsabili della gran parte degli scambi energetici. Fra le attività in corso, si segnala l’ottimizzazione geometrica multiobiettivo di una pompa a doppia aspirazione, anch’essa eseguita interfacciando ANSYS-CFX con modeFRONTIER.
Visualizzazione dell’andamento del flusso mediante linee di corrente e delle strutture turbolente per una turbina Kaplan.
(*) Dragica Jošt, Kolektor-Turboinštitut d.d., Ljubljana, Slovenia; Aljaž Škerlavaj, Kolektor-Turboinštitut d.d., Ljubljana, Slovenia, attualmente presso il Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università degli Studi di Trieste; Mitja Morgut, Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università degli Studi di Trieste, attualmente presso Kolektor-Turboinštitut d.d., Ljubljana, Slovenia; Enrico Nobile, Dipartimento di Ingegneria e Architettura, Università degli Studi di Trieste.
RINGRAZIAMENTI
L'attività di ricerca descritta è stata finanziata dalla Commissione Europea - programma FP7-PEOPLE-2013-IAPP - Contratto No. 612279.
