La cavitazione nei distributori oleodinamici proporzionali

La Fluidodinamica Computazionale (CFD) si occupa dello studio di metodi, tecniche e algoritmi che consentono di simulare il comportamento dinamico dei fluidi in complessi problemi fisici. Tale simulazione consiste nell'elaborazione numerica di sofisticati modelli matematici che descrivono l'evoluzione temporale del fluido attraverso i suoi parametri fluidodinamici fondamentali: velocità, pressione, temperatura, densità. Il ricorso alla simulazione numerica in fase di progetto si rende necessario laddove, la necessità di eseguire previsioni ad analisi su un elevato numero di casi di studio, consente di eliminare, almeno nelle fasi iniziali, la realizzazione di numerosi prototipi. Nella pratica, questo strumento di simulazione virtuale, è in grado di fornire risposte coerenti con la realtà, in tempi e costi decisamente ridotti rispetto a quanto necessario per realizzare la sperimentazione fisica. È questo infatti uno dei principali motivi che rende la CFD un mezzo estremamente vantaggioso in sede di analisi progettuale: essa permette di eseguire, in maniera relativamente semplice e, in ogni caso, sempre più semplice rispetto all'indagine reale, parametrizzazioni per differenti configurazioni iniziali, sia per geometrie, che per condizioni al contorno, consentendo di valutare le risposte dei componenti in esame a condizioni operative vicine alla realtà fisica. Un altro grande vantaggio della CFD è l'indipendenza rispetto al fattore di scala: questo permette l'eliminazione dei problemi, a volte molto importanti o di difficile e costosa risoluzione, di visualizzazione dei parametri fluidodinamici nella simulazione su prototipi reali. Il modello geometrico da analizzare al computer viene realizzato definendo le superfici che racchiudono il dominio di fluido da esaminare. Ora, mentre nei programmi di analisi strutturale l'oggetto da schematizzare con una mesh è la parte solida, nelle analisi fluidodinamiche ciò che interessa è tutto meno il corpo stesso il quale, in questo caso, funziona da confine per il fluido. Per questo motivo la Fluidodinamica Numerica costituisce uno strumento indispensabile per progettisti e ricercatori nei settori aeronautico, automobilistico, motoristico, elettronico, spaziale, navale, dell'industria di processo, dell'energia e dell'ambiente, dell'industria degli elettrodomestici e della bioingegneria.
Un generico problema fluidodinamico è definito dalle equazioni di Navier-Stokes, le quali, fatta l'ipotesi del fluido come continuo deformabile, sono la formulazione matematica dei tre principi fisici sui quali si basa la meccanica dei fluidi:
- conservazione della massa (equazione di continuità);
- bilancio della quantità di moto;
- conservazione dell'energia.
Da queste ne deriva un sistema di equazioni di bilancio, in forma differenziale alle derivate parziali, le quali si presentano con una formulazione relativamente semplice ma che, a causa della loro non linearità, non ammettono quasi mai una soluzione analitica (una soluzione esatta), ma esclusivamente numerica (una soluzione approssimata con un metodo numerico) e richiedono tecniche di discretizzazione e di approssimazione numerica utilizzando, all'occorrenza, ulteriori equazioni che simulano altri aspetti come quello della turbolenza del flusso e che chiudono il sistema delle equazioni risolutive.
I metodi di discretizzazione della fluidodinamica computazionale sono:
- Metodo ai volumi finiti: è l'approccio standard utilizzato nella maggior parte dei codici commerciali per la CFD. Le equazioni vengono risolte in un volume di controllo discreto (cella).
- Metodo agli elementi finiti: questo metodo (il cui acronimo inglese è FEM) è generalmente utilizzato nell'analisi strutturale, ma viene applicato a volte anche allo studio dei fluidi laddove i numeri di Reynolds siano dell'ordine delle decine di migliaia.
- Metodo alle differenze finite: è stato il primo adottato nell'ambito della fluidodinamica. Oggi viene comunque usato solo in alcuni codici specializzati.
L'approccio tipico richiede di discretizzare il dominio fluido in celle elementari così da ottenere una griglia di calcolo (anche detta mesh), sulla quale applicare dei metodi di risoluzione iterativi al fine di risolvere le equazioni di Navier-Stokes o le equazioni di Eulero. [...]