CFD – Computational Fluid Dynamics di DesignBuilder

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Simulazione termofluidodinamica CFD per edifici semplice e potente!

L’analisi fluidodinamica computazionale (CFD, dall’inglese, computational fluid dynamics) fornisce dati di progettazione dettagliati sui flussi d’aria e le distribuzioni di temperatura 3D all’intero ed attorno all’edificio, utilizzando gli stessi metodi dei normali pacchetti software CFD, ma ad un costo minore e senza la necessità di conoscenze specifiche.

I pacchetti software CFD convenzionali richiedono competenze ed estrema attenzione al dettaglio per impostare la corretta geometria e le condizioni al contorno. DesignBuilder semplifica il processo, fornendo automaticamente un’accurata geometria 3D con opzioni per l’importazione da EnergyPlus delle condizioni al contorno CFD, come temperature superficiali, flussi di calore e flussi d’aria.

Applicazioni

  • Ottenere accurati dati di progetto 3D senza la necessità di conoscenze specifiche.
  • Far comprendere con chiarezza ai clienti la bontà delle scelte progettuali grazie ad una grafica ad alta qualità che rende i risultati facilmente visualizzabili.

L’analisi fluidodinamica computazionale (CFD, dall’inglese, computational fluid dynamics) costituisce, tra gli strumenti software di calcolo esistenti sul mercato, una delle risorse più potenti a disposizione dei progettisti. Fino ad oggi, a causa della sua complessità, le applicazioni nell’ambito della progettazione edile ed impiantistica sono state rare. L’analisi software CFD essere utilizzata per calcolare la temperatura, la velocità, la pressione, i parametri di comfort abitativo ed altre proprietà dei fluidi attraverso una rappresentazione tridimensionale estremamente accurata. La simulazione fluidodinamica computazionale consente di modellare a livello teorico il campo di velocità di un fluido che attraversa un sistema di qualunque forma del quale si conoscano le condizioni al contorno. Può essere inoltre utilizzata per la valutazione dello scambio di calore tra le superfici del modello ed il fluido stesso ed in particolare per accurate valutazioni energetiche. La caratteristica saliente del sistema è la possibilità di descrivere un qualunque campo di moto sia esso bidimensionale o tridimensionale fornendo dei risultati che di rado sono messi a disposizione dai modelli analitici tradizionali.

Come funziona la simulazione fluidodinamica? La fluidodinamica e le sue discipline derivate (come ad esempio, aerodinamica, idrostatica, idrodinamica, idraulica) hanno una grande varietà di campi di applicazione. Può ad esempio essere usata per il calcolo di forze e momenti di superfici esposte all’azione dei fluidi (ad esempio riguardo allo studio di profili alari in campo aeronautico o automobilistico), oppure per studi di comfort ambientale, diffusione di sostanze inquinanti o meteorologia (geofluidodinamica). La fluidodinamica è quella parte della meccanica dei fluidi che studia il comportamento dei fluidi in movimento. La risoluzione di un problema fluidodinamico comporta generalmente la risoluzione di complesse equazioni per il calcolo di diverse proprietà del fluido, come ad esempio velocità, pressione, densità, e temperatura, in funzione dello spazio e del tempo. DesignBuilder applica questi studi ai movimenti dell’aria interna agli edifici per valutarne il comportamento in relazione all’efficacia dei sistemi di climatizzazione, ai fenomeni bioclimatici ed ai parametri di comfort abitativo. Le leggi fondamentali della fluidodinamica sono casi particolari delle equazioni di bilancio (anche dette leggi di conservazione) e, in particolare, l’equazione di continuità (o conservazione della massa), la legge di conservazione della quantità di moto (anche nota come seconda legge di Newton) e la legge di conservazione dell’energia. Queste leggi sono equazioni differenziali alle derivate parziali non lineari basate sulla meccanica classica (equazioni di Navier-Stokes) e vengono modificate nella meccanica relativistica. Le equazioni classiche di Navier-Stokes nella loro forma non semplificata non hanno una soluzione generale in forma chiusa, e vengono risolte in tal modo solo con la metodologia della fluidodinamica computazionale (detta, brevemente, CFD) ovvero tramite metodi numerici al calcolatore.

Simulazione software CFD applicata alla progettazione di edifici, a cosa serve? L’analisi CFD consente di rispondere a quesiti progettuali risolti, fino ad oggi, con valutazioni di carattere empirico e soggettivo. Vediamone in particolare alcuni esempi. La simulazione fluidodinamica risponde a domande quali:

  • Che distribuzione delle temperature mi posso aspettare di trovare in uno specifico punto di un atrio esposto al sole in una giornata tersa estiva?
  • La disposizione e la quantità di bocchette di immissione prevista sarà sufficiente a generare un adeguato movimento dell’aria?
  • Il posizionamento dei corpi radianti produrrà condizioni di comfort adeguate?
  • La ventilazione naturale consentirà in regime estivo di garantire condizione di benessere abitativo per gli occupanti?
  • Che effetto potrebbe produrre questo schermo solare sui flussi d’aria all’interno dell’ambiente?
  • All’interno dell’edificio vi sono zone in cui si possono rischiare ristagni di aria?
  • Quale configurazione in condizioni di caldo/freddo garantisce un più efficiente raffrescamento del centro server?
  • La posizione, la forma e l’orientamento di questa bocchetta potrebbe provocare un getto d’aria fredda su una persona seduta in questo punto, peggiorando le condizioni di comfort?
  • A quali forze potrebbe essere soggetta questa facciata in determinate condizioni di vento ed orientamento?

Come si lavorava prima dell’analisi CFD? Un’alternativa all’analisi dimensionale è la misurazione, mediante opportuni strumenti, delle velocità e temperatura istantana raggiunte dal fluido all’interno del modello. Le misure sperimentali forniscono indicazioni teoriche molto più significative ma richiedono parimenti molto tempo e cospicui investimenti, a fronte di un campo di validità ristretto alle singole sperimentazioni. I codici di calcolo CFD permettono invece la simulazione del campo di moto all’interno di un’oggetto di qualunque forma, con un tempo di calcolo dipendente solo dalle capacità dell’elaboratore. Tali programmi offrono la possibilità di analizzare problemi fluidodinamici non risolti in passato dei costi e dei lunghi tempi di realizzazione annessi alle sperimentazioni.

La simulazione CFD restituisce immagini tridimensionali costituite da vettori e gradienti di colore con scale di rappresentazione modulabili. Ciò consente di studiare fenomeni che si verificano a livello locale, isolando range di valori specifici, ed evidenziando così criticità all’interno del dominio di calcolo.

DesignBuilder CFD è stato testato confrontandolo con Pheonics, uno dei pacchetti CFD disponibili per utilizzo generico, ritenuto tra i più affidabili in commercio. Il lavoro di convalida, effettuato dalla Northumbria University, mostra che DesignBuilder, basando lo studio sui medesimi dati di input, è in grado di riprodurre gli stessi risultati di Pheonics.

Scarica il documento di validazione

 

    • Fornire dati dettagliati di temperatura, comfort e flusso d’aria all’interno degli edifici, tenendo conto di temperature superficiali, fonti di calore interne e sistemi HVAC.
    • Analizzare il flusso del vento all’esterno dell’edificio per il comfort e la sicurezza dei pedoni.
    • Analizzare l’impatto delle strategie di ventilazione naturale ed con modalità mista sulle condizioni di comfort interne.
    • Adatto all’uso in tutti gli edifici, anche se spesso è utilizzato per uffici e scuole per la verifica del comfort termico e della corretta diffusione dell’aria di rinnovo.
    • Progetto del layout e dei flussi di aria calda e fredda dei centri di elaborazione dati.
    • Ottimizzazione del posizionamento e delle specifiche delle bocchette di mandata.
    • Fornire l’Età dell’aria (LMA) e l’efficienza del ricambio dell’aria (ACE) per l’uso secondo normativa ASHRAE 62.1 e Green Star.
    • Le griglie CFD 3D vengono generate automaticamente dalla geometria e dalle condizioni al contorno del modello per favorire un’ottimale convergenza della soluzione.
    • Il motore CFD è stato sviluppato sull’algoritmo SIMPLER, che deriva da una delle più condivise e utilizzate famiglie di metodi di soluzione CFD. Le turbolenze possono essere modellate utilizzando l’ampiamente studiato e documentato modello k-ԑ; è prevista a breve l’introduzione di modelli di turbolenza addizionali per specifiche applicazioni.
    • L’interfaccia incorpora strumenti in grado di garantire un’ampia scelta di condizioni a contorno quali diffusori d’aria, estrattori, patch di temperatura, ecc. assegnabili alle superfici di una stanza. È disponibile una libreria di componenti per attivare radiatori, unità fan-coil, arredamenti, occupanti, ecc. da collocare ovunque all’interno del modello ed da incorporare automaticamente nelle analisi.
    • Le condizioni al contorno di temperatura e di flusso d’aria possono essere assegnate automaticamente da una simulazione EnergyPlus. In alternativa si può utilizzare il modulo CFD come modulo autonomo senza alcun collegamento a EnergyPlus.
    • I risultati tridimensionali CFD sono visualizzati attraverso il motore grafico di DesignBuilder, assicurando immagini di grande effetto e di facile interpretazione dei vettori di velocità, delle temperature, delle isoterme, ecc..
    • La simulazione CFD si basa sul modello 3D di DesignBuilder completo, tenendo in considerazione lo spessore della parete e del pavimento della zona, per cui il dominio è generato correttamente senza che siano necessarie modifiche aggiuntive.
    • Gli output come l’età dell’aria (LMA) ed l’efficienza del ricambio d’aria (ACE), contribuiscono a fornire la documentazione di progetto per ASHRAE 62.1, Green Star ecc..

Pacchetti che prevedono il modulo CFD

Il modulo CFD è incluso solo nel pacchetto Ingegneristico Pro. (vai)