Fluidodinamica Computazionale

Termofluidodinamica Computazionale di Sistemi Energetici
(SSD: ING/IND-11)

Gruppo di Lavoro:

Prof. Renato Ricci, professore ordinario
Prof. Sergio Montelpare, ricercatore, Dipartimento di Ingegnera e Geologia Università degli Studi “G. D'Annunzio” di Chieti – Pescara .
Ing. Valerio D'Alessandro, Borsista
Ing. Mariano Taturferi, Dottorando di Ricerca

 

La  Fluidodinamica Computazionale (CFD) si occupa dello  studio dei metodi, delle tecniche e degli algoritmi che   consentono di simulare il comportamento dinamico dei  fluidi in problemi fisici complessi, spesso difficilmente  investigabili in altro modo.

Tali simulazioni consistono nell’elaborazione numerica  di  modelli matematici atti a descrivere  l’evoluzione temporale del fluido.

Questo strumento di simulazione è in grado di  fornire risposte coerenti con la realtà, in tempi e costi  decisamente ridotti rispetto a quanto necessario per  realizzare la sperimentazione.

L'unità di ricerca dell'Università Politecnica delle Marche si occupa dello studio di problemi termofluidodinamici di interesse energetico mediante tecniche computazionali.  In particolare negli ultimi anni sono stati attivati diversi filoni applicativi in tale settore di ricerca riguardanti principalmente:

  • Simulazione numerica del flusso interno in tubi vortice operanti ad effetto Ranque-Hilsch
  • Aerodinamica instazionaria di turbine eoliche ad asse verticale di tipo Savonius

Più recente è la linea di ricerca dedicata alla caratterizzazione fluidodinamica di ambienti ad orografia complessa.  In tale attività di ricerca si prevede la messa a punto di codici di calcolo paralleli,  che eventulamente potranno integrarsi con pacchetti software esistenti, che siano in grado di risolvere il campo di moto fluido su di un sistema orografico complesso di interessere eolico.

Infine sono anche in corso studi sulla previsione della bolla di separazione laminare su profili alari operanti a bassi numeri di Reynolds.

 

Simulazione numerica del flusso interno in tubi vortice operanti ad effetto Ranque-Hilsch

Tale attività di ricerca è iniziata con la tesi di laurea. E’ stato studiato per via numerica il campo di moto interno in tubi vortice ad effetto Ranque-Hilsch.

Il refrigeratore ad effetto Ranque-Hilsch o “Ranque-Hilsch vortex tube” (RHVT) è un dispositivo che, attraversato da una portata di gas compresso, fornisce una portata di gas ad alta temperatura ed una di gas a bassa temperatura spazialmente separate. Mediante tale dispositivo è possibile, in altri termini, ottenere la separazione di una corrente di gas compresso in due correnti di caratteristiche termiche molto diverse. L’effetto di separazione termica è dovuto esclusivamente all’instaurarsi di un moto di swirl particolarmente intenso del fluido, che si produce in una camera all’interno del tubo stesso. Fino ad oggi gli studi effettuati su tali dispositivi hanno condotto alla loro applicazione come sistemi di refrigerazione per utensili, come sistemi per la liquefazione di gas naturale, o per la separazione delle miscele, la purificazione e disidratazione del gas ecc… .

La ragione della loro applicazione è dovuta ad una serie di vantaggi quali l’assenza di parti meccaniche in movimento, l’utilizzo di solo gas compresso e  la leggerezza del dispositivo. Obiettivo della ricerca condotta su tali dispositivi all’interno del Dipartimento di Energetica dell’Università Politecnica delle Marche è quello di testare l’applicabilità di tali dispositivi, alimentati ad aria compressa, al raffreddamento di componenti elettronici di potenza e di valutare la possibilità di miniaturizzarne le dimensioni per diminuirne gli ingombri. All’interno del “Tubo Vortice” a causa delle ridotte dimensioni e delle elevatissime accelerazioni centrifughe non è possibile eseguire misurazioni accurate con i  metodi convenzionali, né con quelli ottici più accreditati (PIV, Anemometria Laser Doppler, …). Le difficoltà di ottenere accurate misure sperimentali all’interno del tubo vortice hanno spinto verso un massiccio uso della CFD per la comprensione della fluidodinamica interna.

La particolare configurazione del flusso interno (comprimibile): costituito da due grandi vortici ad elevata velocità tangenziale che scorrono in contro-corrente uno nell’altro lungo l’asse del tubo e da vortici secondari distribuiti lungo il dispositivo costringe ad utilizzare modelli complessi e molto onerosi dal punto di vista computazionale per la chiusura delle equazioni di Navier-Stokes.

 

 

Simulazioni termo-fluidodinamiche sono state condotte mediante un codice di calcolo commerciale (FLUENT) in condizioni stazionarie e non stazionarie testando differenti modelli di chiusura per la turbolenza. In particolare, per la soluzione delle equazioni di Navier Stokes nel caso turbolento, sono stati utilizzati sia l’approccio RANS con modelli RNG k-epsilon ed linear RSM (differential Reynold Stress Model) che l’approccio LES con i modelli sub-grid di Smagorinsky e dinamico. E’ stato così

possibile confrontare per la prima volta le capacità dei differenti modelli di turbolenza nella previsione delle caratteristiche del flusso principale (effetto di separazione termica) e dei moti secondari interni.

I risultati ottenuti hanno mostrato come in tali dispositivi.  scelta del modello di turbolenza e la tecnica di rappresentazione degli effetti della turbolenza siano degli aspetti cruciali nella previsione del campo di moto e nella stima della separazione termica. Tali aspetti vengono evidenziati anche nella descrizione delle strutture secondarie.

Il campo di moto è stato anche caratterizzato anche attraverso l’uso di alcuni parametri comunemente utilizzati nei flussi con rotazione come: lo Swirl number e l’Helical Flow Index (HFI).

 

Aerodinamica instazionaria di turbine eoliche ad asse verticale di tipo Savonius

Il rotore Savonius è comunemente utilizzato come turbine eolica ad asse verticale. Le sue prestazioni tuttavia sono le più basse fra tutte le turbine eoliche attualmente adottate; tale turbina presenta comunque degli importanti vantaggi quali: l’estrema semplicità, l’auto-avviamento e la mancanza di necessità di essere orientato nella direzione di provenienza del vento.

A causa delle sue basse prestazioni tale rotore risulta inapplicabile nel campo della produzione energetica di alta potenza ciononostante esso sta ricevendo molte attenzioni in quanto risulta di semplice integrabilità in ambienti urbani. Per tale ragione molti gruppi di ricerca negli ultimi anni stanno lavorando sull’incremento delle prestazioni di tale sistema.

In questa ricerca è stato sviluppato un modello CFD in cui le pale del rotore sono state ipotizzate rigide ed il loro comportamento dinamico è stato calcolato risolvendo numericamente la seconda equazione cardinale della dinamica attraverso una routine scritta in linguaggio Matlab capace di importare i dati di coppia ottenuti dalla soluzione CFD, determinare la velocità angolare e produrre tale variabile come input del codice CFD. Il campo di moto è stato ottenuto attraverso la soluzione delle equazioni RANS incomprimibili e del modello di turbolenza k-ε-v2-f.

 

 

I calcoli CFD sono stati effettuati impiegando il metodo a volumi finiti nell’implementazione resa disponibile dal solutore commerciale FLUENT. L’avanzamento temporale della soluzione della seconda equazione cardinale della dinamica è stata ottenuta attraverso l’uso del metodo di Eulero nei primi time-steps e un metodo Runge-Kutta standard negli steps successivi. Sono stati implementati anche schemi di Adams-Bashfort a due e a tre punti. I risultati ottenuti sono stati validati attraverso misure effettuate presso la galleria del vento dell’Università Politecnica delle Marche mostrando un ottimo accordo fra i risultati numerici e sperimentali. Tale attività è stata svolta all’interno del progetto INDUSTRIA 2015 (finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico) nell’ambito del lavoro svolto dall’unità diretta dal prof. Ricci per la progettazione di un palo di illuminazione alimentato da fonte eolica – fotovoltaica ad elevata integrazione architettonica.

 

Infrastrutture di Calcolo:

  • 4 Workstation Linux Debian

  • Cluster HPCPOWERED: 1 nodo di login e  6 nodi calcolo. 16 cores 32 GB di RAM per ciascun nodo di calcolo; processori: AMD Opteron 6276. Interconnessione di rete di tipo Gigabit.   

  • Cluster CLSDIPEN: 1 nodo di login e  10 nodi calcolo. 8 nodi  di calcolo equipaggiati di 8 cores e 16 GB di RAM con interconnessione di rete di tipo Gigabit; processori: AMD Opteron 2378.   2 nodi  di calcolo equipaggiati di 32 cores e 64 GB di RAM con interconnessione di rete di tipo Infiniband Q-Logic; processori AMD Opteron 6276.

  • Sistema di Storage NAS: 340 GB distributi in RAID6.

 

Principali Pubblicazioni:

1. R. Ricci, V. D’Alessandro, A. Secchiaroli, S. Montelpare, M. Mazzieri.  Raffreddamento di componenti elettronici di potenza mediante dispositivi ad effetto Ranque-Hilsch: simulazione numerica del flusso interno ed esterno.  Proceedings of 26th UIT  National Heat Transfer Conference, Ed. ETS, pp. 527-532.

2. A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D’Alessandro, G. Artipoli. Numerical simulations of turbulent helical flow in a Ranque-Hilsch vortex tube with different RANS closures and sub-grid scales models. Progress in Computational Heat and Mass Transfer – Editors: A.A. Mohamad, R. Bennacer, M. El-Ganaoui, K. Nandakumar, S. Huang. Guangzhou, China, 18 -21 Maggio 2009, p. 330-337.

3. R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D’Alessandro, S. Montelpare.  Numerical analysis of compressible turbulent helical flow in a Ranque-Hilsch vortex tube. “Computational Methods and Experimental Measurement XIV”, pp. 353-364, Ed. C. Brebbia, C.M. Carlomagno, Southampton: Wessex Institute of Technology, ISBN 978-1-84564-187-0, 2009.

4. A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D’Alessandro. Fluid dynamic analysis of a Ranque-Hilsch Vortex-Tube. Il Nuovo Cimento C, vol.32, N.2, 2009, pp. 85-88, ISSN 1124-1896. (DOI: 10.1393/ncc/i2009-10375-x.)

5. S. Montelpare, R. Ricci, V. D’Alessandro, G. Di Giovine. Aerodynamics of a Savonius wind rotor. ICFDEX09: 4th Symposium on Integrating CFD and Experiments in Aerodynamics Ed. by P. Rambaud & Ph. Planquarat, ISBN 978-2-87516-005-8. Von Karman Institute for Fluid Dynamics – Sint-Genesius-Rode, Belgium.

6. A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D’Alessandro. Numerical simulation of turbulent flow in a Ranque-Hilsch vortex-tube. Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, Issues 23-24, November 2009, pp. 5496-5511, ISSN 0017-9310. (DOI: 10.1016/iheatmasstransfer.2009.05.031).

7. R. Ricci, S. Montelpare, G. Borrelli, V. D'Alessandro. Experimental analysis of a Savonius wind rotor for street lighting systems. Proceedings of ASME-ATI-UIT Conference on Thermal and Environmental Issues in Energy Systems. Sorrento – Italy, 16 – 19 Maggio 2010.

8. V. D’Alessandro, S. Montelpare, R. Ricci, A. Secchiaroli. Unsteady Aerodynamics of a Savonius wind rotor: a new computational approach for the simulation of energy performance. Energy, Vol. 35, Issue 8, August 2010, pp. 3349-3363, ISSN 0360-5442, (DOI: 10.1016/j.energy.2010.04.021).

9. R.Ricci, S.Montelpare, A.Secchiaroli, V.D’Alessandro. Flow field assessment in a vertical axis wind turbine. Advances in Fluid Mechanics VIII, pp. 255-266, Ed. M. Rahman, C. Brebbia, p. 255-266, Southampton: Wessex Institute of Technology, ISBN/ISSN: 978-1-84564-476-5