Analisi CFD nel settore HVAC

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Nella progettazione di impianti HVAC è pratica comune assumere importanti decisioni riguardanti il design impiantistico basandosi sulla pratica costruttiva oppure su basi analitiche prettamente teoriche. Ad esempio, sappiamo che la possibilità di realizzare impianti a tutta aria per la climatizzazione invernale di ambienti con altezze elevate è limitata dalla problematica della climatizzazione dell’aria. Allo stesso modo, è nota la necessità di “lavare” le pareti vetrati di ambienti caratterizzati da elevate temperature ed umidità relativa, quali le piscine, per evitare la formazione di condensa sulle stesse. Si potrebbe proseguire a lungo con esempi a tal riguardo. Benché le conoscenze pratiche e teoriche facciano indubitabilmente parte integrante del bagaglio di esperienza di un progettista, la necessità di migliorare ed ottimizzare il più possibile gli impianti meccanici, ed in particolare quelli a servizio della climatizzazione ambientale, richiede soluzioni più accurate e ricercate sulla base del singolo caso specifico oggetto di progettazione.

 

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Figura 1: Andamento della velocità dell’aria su profilo NACA-0012 – Fonte: Direct Numerical Simulation of Flows over an NACA-0012 Airfoil at low and Moderate Reynolds Numbers (NASA)

Al fine di soddisfare questa crescente richiesta di accuratezza e precisione, i progettisti possono ricorrere ad uno strumento estremamente potente: la fluidodinamica computazionale (CFD, acronimo dall’inglese Computer Fluid Dynamics). L’utilizzo della CFD permette infatti di ottenere una soluzione numerica, calcolata attraverso metodi ricorsivi, delle complesse equazioni di Navier-Stokes che, come è noto, governano la dinamica dei fluidi. In pratica, la fluidodinamica computazionale permette di dare una forma precisa e puntuale, nel tempo e nello spazio alle spesso fumose soluzioni analitiche che, anche quando ottenibili, risultano essere troppo complesse per l’utilizzo nella progettazione pratica.

Tornando all’esempio, esposto in precedenza, degli impianti ad aria per la climatizzazione invernale di ambienti con altezze elevate, sappiamo che per limitare il fenomeno della stratificazione dell’aria è necessario immettere in ambiente un numero considerevole di ricambi orari d’aria (almeno 5/6 volumi/ora). Ma esattamente, qual è il numero di ricambi orari necessari per ottenere un comfort dell’aria accettabile? A questa domanda, ogni progettista risponderà fornendo la sua versione, basata sulla propria esperienza pregressa. La CFD ci permette invece di risolvere questo problema con certezza: impostando correttamente il modello ed assumendo adeguate condizioni al contorno è possibile prevedere quale sarà la distribuzione di temperatura all’interno dell’intero ambiente, comprendendo immediatamente quanto incida la stratificazione dell’aria. In questo modo, grazie alla CFD, potremmo valutare la fattibilità di un impianto ad aria basandoci su ipotesi ben più solide: conosceremo l’esatta portata d’aria da immettere in ambiente, alle condizioni fissate, necessaria per portare l’ambiente stesso alla temperatura desiderata nei tempi previsti.

Si può pertanto fare un’interessante considerazione riguardo l’utilizzo della CFD per la progettazione di impianti HVAC: la fluidodinamica computazionale semplifica l’attività di progettazione aggiungendovi livelli di complessità. Perché questa apparente contraddizione? La CFD permette di sviluppare i progetti lungo direttrici che sono tipicamente impedite alla progettazione tradizionale, consentendo di spingere i progetti verso livelli di accuratezza sempre maggiori.

Per comprendere meglio le possibilità collegate all’utilizzo della CFD, ma anche le relative criticità, è sicuramente utile analizzare il tipico work-flow di una simulazione fluidodinamica. I passaggi necessari per ottenere dei risultati affidabili e fisicamente coerenti sono così riassumibili:

  1. Pre-Processing
  2. Validazione del modello
  3. Post-Processing

Il Pre-Processing comprende tutte quelle attività propedeutiche e necessarie all’avvio delle simulazioni numeriche. Per prima cosa sarà pertanto necessario definire la geometria all’interno della quale lanciare la simulazione, ovvero il volume di controllo; al fine di ottenere risultati coerenti è necessario che la geometria presenti un elevato livello di dettaglio. Stabilita la geometria, si procede alla definizione del modello fisico, impostando tutte le equazioni che definiscono l’oggetto della simulazione. Scegliere correttamente le equazioni che governano la simulazione è di fondamentale importanza per trovare un corretto bilanciamento tra l’accuratezza della soluzione ed il tempo di calcolo. In questa fase è inoltre definire le cosiddette condizioni al contorno, ovvero tutte le condizioni iniziali imposte dal caso specifico, nonché le ipotesi proposte per l’impostazione della simulazione.

Terminato il Pre-Processing è necessario validare il modello appena definito per permetterne l’utilizzo al variare di alcune condizioni e consentirne dunque l’utilizzo: sarebbe impensabile realizzare un differente modello per ogni minima modifica apportata ad esso. La validazione del modello è però il passaggio più complesso nell’ambito della fluidodinamica computazionale; durante la validazione è infatti necessario effettuare le seguenti operazioni:

  1. Realizzazione della Mesh: Si definisce “mesh” la discretizzazione del volume di controllo. Una mesh è formata da un gran numero di celle di forme e dimensioni variabili decise dal progettista: per ogni cella il programma calcolerà tutte le proprietà del fluido (velocità, pressione, etc.). La realizzazione della mesh è, escludendo il tempo computazionale vero e proprio, l’operazione più lunga nell’ambito delle simulazioni CFD ed ha evidentemente un’importanza fondamentale. Una trattazione più attenta del “meshing”, nonché delle problematiche ad esso legate, è disponibili qui [NOTE: Add link to the entry about “meshing”].

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Figura 2: Mesh relativa alla girante di una pompa centrifuga – Fonte: truegrid.com/cfdgallery

 

2.  Scelta ed impostazione del risolutore: Costruita la mesh, è necessario scegliere il risolutore più adeguato per l’applicazione in oggetto. Senza entrare nel dettaglio dei complessi algoritmi che si nascondono dietro le sigle (PISO, SIMPLE, etc.) che tipicamente si incontrano quando ci si avvicina alla CFD, bisogna sapere che ciascun risolutore calcola la soluzione numerica attraverso algoritmi iterativi. Le equazioni di partenza sono le medesime, ma varia l’ordine in cui queste vengono risolte, nonché l’utilizzo dei correttori numerici necessari per migliorare la stabilità della simulazione.

3. Ottenimento della soluzione preliminare: Una volta scelto il risolutore più adatto per l’esigenza, si può finalmente lanciare una simulazione preliminare. Se tutti i precedenti passaggi sono stati effettuati correttamente, il simulatore restituirà una soluzione. Questa deve essere innanzitutto confrontata con le soluzioni analitiche: la soluzione ottenuta è fisicamente sensata ed è coerente con quanto ci saremmo aspettati? In caso di risposta affermativa, si può procedere con la validazione del modello, altrimenti sarà necessario rivedere le operazioni svolte in precedenza.

4. Controlli di convergenza: l’ottenimento di una soluzione accettabile non è certamente sufficiente per poter considerare validato il modello realizzato. In seguito sarà necessario procedere con le simulazioni per raffinare la soluzione, ovvero migliorarne la convergenza, e per verificare che la soluzione ottenuta non sia frutto di condizioni particolari non imposte direttamente dal progettista. Se anche questo passaggio viene superato con successo, il modello si può infine considerare validato.

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Figura 3: Linee di flusso dell’aria in un data center – Fonte: simscale.com

 

Avendo in mano un modello computazionale corretto e stabile si potranno simulare le diverse condizioni richieste nell’ambito della progettazione. I risultati della simulazioni saranno però interminabili tabelle di numeri, di fatto incomprensibili. Per tradurre questi risultati in qualcosa di utilizzabili dovranno essere utilizzati degli strumenti di Post-Processing che permetteranno di circoscrivere i risultati esposti a quelli più interessanti, nonché di ottenere soluzioni grafiche facilmente comprensibili ed utilizzabili.

Abbiamo voluto fornire un assaggio dei dilemmi progettuali che la fluidodinamica computazionale è in grado di aiutare a risolvere, nonché dare un’idea di quanto possa essere complesso impostare correttamente le simulazioni CFD. Bisogna però ricordare che l’utilizzo della CFD non è da considerarsi sostitutivo rispetto agli strumenti della progettazione tradizionale: al fine di implementare correttamente un modello fluidodinamico coerente e fisicamente sensato è infatti necessario avere una buona padronanza delle equazioni analitiche che governano la dinamica dei fluidi, ovvero le già citate equazioni di Navier-Stokes. Inoltre, al fine di ottenere soluzioni utili e coerenti in tempi ragionevoli e con costi di progettazione contenuti, è necessario che il progettista circoscriva correttamente il problema postogli, evitando di disperdere tempo ed energie in simulazioni inutili, se non dannose.

 

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Ing. Gaetano Trovato

Ing. Gaetano Trovato

Progettista e Consulente per importanti società ed enti nel settore HVAC e dell’energia, sia in ambito civile terziario che industriale ed è titolare e fondatore di STT ENGINEERING. E’ autore di numerosi articoli scientifici su riviste internazionali e nazionali nel settore HVAC, della cogenerazione e dell’efficienza energetica. Si occupa di simulazioni CFD principalmente nel settore impiantistivo e dello scambio termico e del controllo della contaminazione ambientale (cleanroom). EGE (esperto gestione energia) certificato  UNI CEI 11339 settore civile ed industriale. Perito e Consulente Tecnico di Ufficio Tribunale di Milano (isc. Settore Termotecnica ed Energia). Membro AICARR (Associazione Italiana Condizionamento dell’aria, ASCCA (Associazione Contaminazione e Controllo dell’aria), ASHRAE member (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) . Partecipa regolarmente come relatore a conferenze e convegni nel settore HVAC e dell’energia. E’ docente in corsi di progettazione termotecnica, sicurezza impianti, efficienza energetica e prevenzione legionella.
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