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COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS DI DESIGNBUILDER

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.

Validazione

DesignBuilder CFD è stato testato confrontandolo con Pheonics, uno dei pacchetti CFD disponibili per utilizzo generico di maggiore reputazione. Il lavoro di convalida, effettuata dalla Northumbria University, mostra che DesignBuilder, dati gli stessi dati di input, è in grado di riprodurre gli stessi risultati di Pheonics. Questo aggiunge credibilità ai risultati generati dal CFD di DesignBuilder.è un’applicazione grafica professionale e richiede, per essere utilizzato con successo, degli standard hardware ragionevolmente alti.

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