Jacob Analytics “cucina” con ANSYS SpaceClaim

Jacob Analytics ha esplorato tramite il digitale molti design prima di determinare la configurazione migliore. Qui viene mostrata solo parte dei design per il numero e le forme delle valvole.

Carne cotta in modo ottimale in qualsiasi condizione metereologica? Sì, grazie alla simulazione del processo garantita dal programma di ANSYS scelto da Jacob Analytics.

di Travis Jacobs (*)

Quando Jacobs Analytics (www.jacobs-analytics.com) iniziò a progettare un barbecue tramite modellazione solida tradizionale, per dar vita a un’unica iterazione di design, pronta per la simulazione CFD, il tempo richiesto era di due settimane. Da quando ha adottato ANSYS SpaceClaim (https://www.ansys.com), l’azienda è in invece grado di modificare il progetto per nuove iterazioni in soli 5 min. Dopo aver generato e simulato circa 500 progetti, l’impresa ha realizzato una versione che offre prestazioni sostanzialmente più elevate rispetto ad altri modelli di smoker.

ALLA RICERCA DEL PROGRAMMA IDEALE

In condizioni ideali, la maggior parte dei barbecue è in grado di sformare carni deliziose. Quando c’è vento forte, però, il fumo viene risucchiato e la temperatura all’interno del cilindro varia in maniera drastica, da troppo caldo a troppo freddo: risultato? Carni crude o stracotte. Jacobs Analytics – il cui Presidente Travis Jacobs è un patito del barbecue – ha quindi deciso di utilizzare la simulazione CFD per progettare un forno che potesse cuocere la carne in modo ottimale, in qualunque condizione metereologica. All’inizio del progetto si è avvalso di un noto pacchetto di modellazione parametrica per definire la geometria di ogni iterazione. attività molto impegnativa, perché richiedeva la considerazione di dipendenze tra funzionalità all’interno del modello e la riparazione di artefatti generati come sottoprodotto della traduzione, in un formato file neutrale per l’analisi e la creazione di un volume di fluido per ciascuna iterazione.

Jacobs ha quindi deciso di utilizzare ANSYS SpaceClaim per modificare il volume del fluido per ANSYS CFD, iscrivendosi al programma ANSYS Startup. Trattandosi di una piccola impresa, la società non disponeva dei fondi necessari per realizzare un elevato numero di prototipi fisici, ma l’esplorazione digitale in SpaceClaim assicura la possibilità di valutare diversi design al fine di determinare quale di questi sia il migliore molto prima di arrivare alla fase di prototipazione. La modifica delle geometrie – solide o liquide – è molto più rapida con SpaceClaim rispetto a un modellatore di solidi, perché è possibile modificare qualunque funzionalità, senza interferire con le interdipendenze del modello parametrico solido. Grazie all’esplorazione digitale guidata dai risultati CFD, Jacobs ha sviluppato un progetto che mantiene un’elevata quantità di fumo e una temperatura interna costante, indipendentemente dalle condizioni atmosferiche.

LIMITAZIONE DEGLI SMOKER ESISTENTI

Il tipico barbecue smoker consiste in un cilindro lungo circa 1,2 m, con un diametro di 60 cm, dotato di un cassetto rimovibile per l’inserimento di legna o carbonella. All’interno vi sono dei “ripiani”, distribuiti verticalmente, sui quali viene posata la carne. L’aria entra dalle fessure inferiori ed esce da quelle superiori. Questo design funziona bene quando il tempo è buono, ma quando c’è vento troppa aria entra dalle fessure, eliminando il fumo e causando notevoli variazioni nella temperatura. Alcuni cuochi realizzano delle paratie da sistemare tutt’intorno al barbacue, ma si tratta di una soluzione costosa e ingombrante.

Jacobs voleva inserire dei limitatori di flusso sulle fessure, per mantenere costante il flusso d’aria all’interno dello smoker in ogni condizione. L’azienda aveva inoltre intenzione di integrare una doppia parete nel corpo del barbacue, al fine di isolarlo e mantenere la temperatura interna. Questo design, molto più complesso, richiedeva l’uso della simulazione per esplorare in tempi brevi diverse iterazioni di progetto.

Vista dal lato (sinistra) e di fronte (destra) dei flussi CFD per l’iterazione del design di uno smoker con tre valvole sul fondo e due valvole di sfogo in cima.

MIGLIORARE IL PROCESSO DI DESIGN

In passato, Jacobs creava progetti sotto forma di modelli solidi di cui poi esportava la geometria in un formato file neutrale per la simulazione CFD. Questo processo di editing della geometria solida era rallentato dall’esigenza di modificare una geometria non configurata come variabile parametrica: poteva, infatti, solo essere cambiata in modo indiretto attraverso la sua parent geometry. Le limitazioni nell’accuratezza del processo di traduzione dal CAD al formato neutro spesso risultavano nella creazione di molti frammenti che dovevano essere combinati manualmente o eliminati nel preprocessore CFD. Questo processo, che impiegava circa due settimane, doveva essere ripetuto per ogni iterazione di design.

Jacobs ha ridotto il tempo necessario per la creazione di una nuova iterazione modificando la geometria in ANSYS SpaceClaim invece che nel modellatore parametrico. SpaceClaim utilizza la tecnologia di modellazione diretta per creare e modificare ogni elemento del design. La rete di vincoli viene sostituita dal riconoscimento delle funzionalità, che determina, in modo intelligente, quali entità individuali l’utente vuole modificare.

SpaceClaim genera geometrie anche nel formato nativo utilizzato per la simulazione, evitando errori di traduzione. Questo ha aiutato Jacobs a ridurre il tempo necessario per creare una nuova iterazione a due soli giorni. Dopo circa una dozzina di iterazioni, l’azienda ha deciso di migliorare ulteriormente il processo, modificando la geometria dei fluidi direttamente in SpaceClaim, evitando di dover gestire la geometria solida dopo la prima iterazione. Questo approccio ha ridotto il tempo necessario per la creazione di una nuova iterazione a soli cinque minuti.

LA SIMULAZIONE OTTIMIZZA IL PROGETTO

Dopo la creazione di ogni iterazione, Jacobs ha utilizzato ANSYS Meshing per realizzare una mesh tetraedrica con inflation layer intorno allo smoker e circa 30 milioni di nodi. Lo smoker è stato simulato in uno spazio molto più ampio al fine di creare correnti d’aria che simulassero l’effetto del vento. Jacobs ha ideato un flow velocity inlet su un lato del cubo e un outlet di pressione sul lato opposto, per valutare l’effetto dei cambiamenti nella velocità del vento sugli schemi di flusso all’interno dello smoker. Ha poi modellato gli effetti di diverse direzioni del vento, modificando l’orientamento dello smoker rispetto al vento.

Dopo aver ottimizzato il workflow di analisi, Jacobs Analytics si è focalizzata sull’ottimizzazione della geometria dello smoker per ottenere una velocità di flusso verticale costante e uniforme su ogni sezione orizzontale e una temperatura uniforme all’interno. Grazie al programma ANSYS Startup, Jacobs Analytics ha semplificato il processo di sviluppo con ANSYS SpaceClaim e, adottando la simulazione per generare nuove iterazioni sin dalle prime fasi del progetto, è arrivata a un design ottimale in una frazione del tempo impiegato in passato. ©TECNeLaB

(*) Travis Jacobs, President, Jacobs Analytics, Denver, USA.

Profilo di velocità di una sezione a croce orizzontale per il design finale di uno smoker. Il design finale ha una sottile valvola sul fondo e una di sfogo sul retro con un’inclinazione di 30°.

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