Cos’è la fluidodinamica computazionale (Analisi CFD)

Maggio 13, 2024

La fluidodinamica computazionale è una branca della meccanica dei fluidi che simula e predice il movimento di sostanze liquide (o gas) in un determinato spazio (detto dominio) attraverso la soluzione di complesse equazioni e algoritmi matematici.

Quali sono i settori in cui viene utilizzata la fluidodinamica computazionale?

Quando parliamo di fluidodinamica computazionale probabilmente la prima cosa che ci viene in mente sono i test aerodinamici eseguiti sui veicoli da competizione, come quelli della Formula 1, in cui il movimento dell’aria e l’attrito che esso genera all’aumentare della velocità sono fondamentali per una migliore prestazione e un miglior posizionamento in gara. Tuttavia, le analisi CFD vengono utilizzate anche in altri campi, come nel settore aerospaziale, medico o meccanico, e tra questi anche in architettura: vediamo a continuazione gli utilizzi principali.

Perché si utilizza la tecnica CFD per l’architettura

In ambito architettonico, si può ricorrere all’uso di analisi CFD per i seguenti scopi:

Determinazione delle pressioni e velocità generate dal vento: le pressioni generate dal vento sulle diverse facciate di un edificio sono fondamentali se stiamo prevedendo di ventilare naturalmente (vedi Ventilazione Naturale)
Analisi della distribuzione delle temperature in ambienti interni particolarmente alti come hall o spazi a doppia altezza: come sappiamo, il calore tende a muoversi dal basso verso l’alto, creando una stratificazione tanto maggiore quanto maggiore è l’altezza dell’ambiente. Nel caso in cui si preveda un uso specifico con determinate condizioni di comfort termico da rispettare, considerare una temperatura media della zona può risultare fuorviante.
Analisi della ventilazione naturale effettiva in ambienti interni: la disposizione e il grado di apertura delle finestre determina diversi movimenti e portate d’aria, che possono non raggiungere determinati spazi all’interno di una zona termica o causare sensazione di malessere dovuto a velocità eccessive
Analisi della velocità e del movimento dell’aria dovuti a sistemi meccanici: la disposizione di sistemi meccanici di ventilazione o di sistemi di climatizzazione ad aria ne determina un movimento che può essere analizzato e ottimizzato in relazione al comfort degli individui.
Analisi delle temperature radianti e del comfort termico in ambienti interni: l’effetto radiante proporzionato da una superficie calda o fredda si riduce drasticamente all’aumentare della distanza (legge di Boltzmann). Per progettare il comfort in un ambiente interno può dunque risultare utile analizzare la temperatura radiante e operativa con la fluidodinamica computazionale.

Come funziona il calcolo CFD per l'architettura?

Una cosa fondamentale da comprendere è che questo tipo di analisi si basa su un calcolo di tipo stazionario e su delle condizioni di contorno o boundary conditions che devono essere determinate previamente.

Facciamo un esempio. Sappiamo che la ventilazione naturale per effetto Stack si basa sulla differenza di temperatura tra il punto di immissione e il punto di estrazione, e idealmente possiamo immaginarci un edificio di 2 piani con una finestra al piano terra orientata a nord e un camino solare orientato a sud disposto sul tetto. Il camino solare, riscaldandosi, genererà un moto convettivo e il movimento dell’aria desiderato. L’analisi CFD ci permetterà in questo caso di vedere il movimento e la velocità dell’aria in un determinato momento, ma non il suo comportamento durante tutto l’anno. Dovremmo quindi analizzare prima le temperature, superficiali e dell’aria, per il momento specifico che vogliamo analizzare: in questo senso si ricorre generalmente alla simulazione termodinamica, che ci permette di ottenere dati consistenti e di considerare gli scenari statisticamente più probabili.

Modelli fisici e numerici della fluidodinamica computazionale

Le analisi CFD si basano sull’interazione di un modello fisico, variabile a seconda dell’analisi, e di un modello numerico, basato sulle equazioni differenziali di Navier-Stokes e sui principi di conservazione del moto, della massa e dell’energia..

Tra gli innumerevoli modelli fisici possiamo ricordare quello relativo alla trasmissione di calore (conduzione, convezione e irraggiamento), o quello del regime del fluido (laminare o turbolento).

Esistono al giorno d’oggi vari software commerciali che risolvono tali equazioni, tra questi possiamo ricordare Ansys Fluent, Kiva, Solidworks o OpenFoam.

Vantaggi e svantaggi dell'Analisi CFD

La fluidodinamica computazionale ci permette di risolvere complessi problemi matematici ottimizzando le scelte e le strategie progettuali. Può essere utile tanto in una fase preliminare o in fasi più avanzate di progetto, a seconda del tipo di analisi da eseguire. Rappresenta tuttavia uno studio costoso e la cui utilità deve essere valutata attentamente in funzione degli obiettivi prefissati.