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Introduzione
Nella Parte 1, mi sono concentrato sulla valutazione della qualità della carrozzeria della Formula Student utilizzando CATIA Surface Analysis. Esaminando la continuità, la curvatura e il comportamento di riflessione della superficie, ho identificato le aree che richiedevano maggiore attenzione prima di passare alla CFD. Una volta validata la geometria, ho proseguito con SIMULIA un'analisi CFD per studiare come la carrozzeria interagisce con il flusso d'aria e preparare il modello per la valutazione aerodinamica.
In questo articolo, condividerò il flusso di lavoro che ho seguito in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, dalla correzione della geometria importata e dalla creazione del dominio fluido esterno alla definizione della fisica, alla generazione della mesh e all'interpretazione dei primi risultati CFD.
Questo studio rappresenta un'indagine aerodinamica di base, piuttosto che una validazione finale del veicolo. Il mio obiettivo era comprendere il comportamento del flusso d'aria attorno alla carrozzeria, valutare se le caratteristiche superficiali identificate durante l'analisi CATIA influenzassero il flusso e individuare potenziali aree per futuri miglioramenti progettuali.
Passaggio da CATIA a SIMULIA: pianificazione della strategia CFD
Dopo aver completato la validazione geometrica e le operazioni di correzione in CATIA, ho trasferito il modello in SIMULIA Fluid Model Creation.
Avendo già lavorato con ANSYS Fluent, ho trovato che uno degli aspetti più interessanti di questo progetto fosse il confronto tra i due flussi di lavoro CFD. Ho notato che la differenza principale non risiedeva nella fisica alla base della simulazione, bensì nel modo in cui ciascuna piattaforma organizza l'intero processo di simulazione.
Confronto tra i flussi di lavoro CFD di ANSYS Fluent e SIMULIA
In base alla mia esperienza, ANSYS Fluent offre un flusso di lavoro fortemente orientato al solutore. Consente agli utenti di accedere direttamente a numerose impostazioni dettagliate, tra cui i controlli della mesh, gli schemi di discretizzazione, i metodi di accoppiamento pressione-velocità, i modelli di turbolenza e i parametri di convergenza.
SIMULIA Fluid Dynamics Engineer adotta un approccio CAD-to-CFD più integrato all'interno della 3DEXPERIENCE piattaforma. La preparazione della geometria, la creazione del dominio fluido esterno, la creazione della mesh a predominanza esagonale, la generazione dello strato prismatico, la definizione della fisica e la post-elaborazione rimangono connesse allo stesso ambiente dati del prodotto.
Entrambi i flussi di lavoro si basano su metodi CFD a volumi finiti e possono essere utilizzati per simulazioni RANS. La differenza principale che ho notato non risiede quindi nelle equazioni alla base della simulazione, bensì nel modo in cui l'ingegnere interagisce con l'intero processo.
Definizione della strategia CFD per lo studio di base
Per questo primo studio aerodinamico, ho dovuto anche tenere conto dei limiti di una licenza studentesca e del numero di celle disponibili. Invece di applicare una mesh molto fine ovunque, ho concentrato gli elementi disponibili nelle regioni in cui avrebbero fornito il maggior valore:
- La regione del naso, dove si sviluppano forti gradienti di pressione
- Transizioni superficiali, dove può verificarsi accelerazione o separazione del flusso
- Zone in prossimità delle pareti, dove è necessario catturare il comportamento dello strato limite
- La zona di scia dietro la carrozzeria
La regione di campo lontano è stata mantenuta relativamente grossolana per risparmiare risorse computazionali.
Per lo strato limite, ho previsto di utilizzare strati di prismi adattati alla geometria. L'altezza del primo strato, il tasso di crescita e lo spessore totale dovevano essere selezionati in base al modello di turbolenza e all'intervallo y+ desiderato. SIMULIA Fluid Dynamics Engineer offre questo tipo di approccio di mesh adattata alla geometria per catturare al meglio superfici complesse e il comportamento del flusso in prossimità delle pareti.
Per la simulazione iniziale, ho scelto un approccio RANS stazionario incomprimibile. Trattandosi di uno studio preliminare, il mio obiettivo non era raggiungere i valori finali di certificazione aerodinamica, bensì comprendere le principali strutture di flusso attorno alla carrozzeria.
Durante il processo di soluzione, ho monitorato non solo la convergenza dei residui, ma anche la stabilità delle forze aerodinamiche, la distribuzione della pressione e lo sviluppo della scia. Una simulazione non può essere considerata affidabile solo perché i valori dei residui diminuiscono; anche le forze aerodinamiche devono raggiungere un comportamento stabile.
Figura 10. La geometria della carrozzeria riparata trasferita a SIMULIA Fluid Model Creation prima dell'estrazione del dominio esterno e della generazione della mesh.
Creazione del dominio fluido esterno
Il passo successivo è stato creare il dominio fluido esterno attorno alla carrozzeria utilizzando il comando Dominio fluido.
Questo dominio rappresenta il volume d'aria che verrà analizzato durante la simulazione CFD. Le sue dimensioni e la posizione del veicolo al suo interno influenzano direttamente sia l'accuratezza dei risultati che il costo computazionale.
Nel posizionare la carrozzeria all'interno dell'area di lavoro, ho mantenuto l'altezza da terra prevista del veicolo, mantenendo il limite inferiore alla corretta distanza dal suolo.
Questo dettaglio è importante perché la distanza tra la carrozzeria e il terreno influisce sul flusso d'aria sotto il veicolo, sulla distribuzione della pressione e sul modo in cui l'aria interagisce con la parte anteriore del veicolo.
Ho inoltre previsto spazio sufficiente intorno al veicolo per ridurre gli effetti di ostruzione artificiale. La zona a monte è stata ampliata per consentire al flusso in ingresso di svilupparsi correttamente, mentre ulteriore spazio a valle è stato riservato per lo sviluppo della scia.
Tuttavia, poiché lavoravo con un budget limitato per la griglia di calcolo, concesso dalla licenza studentesca, ho dovuto trovare un compromesso. Un dominio più ampio non significa automaticamente risultati migliori se le celle aggiuntive non migliorano le regioni di flusso importanti.
Figura 11. Dominio fluido esterno creato attorno alla carrozzeria.
Definizione della zona di intervento sul corpo
Dopo aver creato il dominio esterno, ho definito le superfici della carrozzeria come una regione separata all'interno del modello fluido.
Questo passaggio consente SIMULIA di distinguere tra la geometria del veicolo e il volume d'aria circostante, rendendo possibile l'applicazione della corretta condizione al contorno della parete durante la configurazione della simulazione.
In questa fase, ho verificato che le facce selezionate rappresentassero correttamente la carrozzeria e ho confermato che SIMULIA fosse in grado di creare il volume fluido senza contorni aperti o superfici intersecanti.
Ciò ha rappresentato anche un'importante conferma del fatto che il processo di pulizia geometrica eseguito in precedenza in CATIA aveva preparato con successo il modello per la CFD.
Figura 12. Superfici della carrozzeria definite come regione del modello fluido.
Impostazione della fisica, condizioni al contorno e richieste di output
Una volta preparato il dominio fluido, ho creato una fase di simulazione in regime stazionario per l'analisi aerodinamica di base.
Ho impostato il numero massimo di iterazioni a 2000 e ho definito i criteri di convergenza per le equazioni della quantità di moto, dell'energia cinetica turbolenta (TKE) e di omega.
Questi valori residui forniscono informazioni utili sulla convergenza numerica, ma non mi sono basato solo su di essi. Ho anche monitorato le forze aerodinamiche e l'andamento della pressione per determinare se la soluzione avesse raggiunto uno stato fisicamente stabile.
Una simulazione con residui bassi può comunque richiedere ulteriori iterazioni se i valori di resistenza, portanza o pressione continuano a cambiare.
Figura 13 – Passo di soluzione allo stato stazionario con un massimo di 2000 iterazioni e criteri di arresto residui per momento, TKE e omega.
Definizione delle condizioni al contorno
Per il contorno di ingresso, ho applicato una velocità di ingresso normale alla faccia a monte con un modulo di velocità di 15 m/s.
Le condizioni di turbolenza sono state definite utilizzando l'intensità di turbolenza e il rapporto di viscosità turbolenta, con valori di 0,1 e 100 per questo modello di base.
All'uscita, ho applicato una condizione di pressione in uscita con una pressione manometrica statica di 0 Pa, consentendo alle variabili di flusso di svilupparsi naturalmente mantenendo una pressione di riferimento.
Le superfici della carrozzeria sono state definite come contorni di pareti solide. Ciò ha permesso alla simulazione di catturare importanti fenomeni aerodinamici quali:
- Accumulo di pressione intorno al naso
- Accelerazione del flusso su superfici curve
- comportamento di taglio in prossimità della parete
- Formazione di scia dietro il veicolo
Figura 14A – Comportamento fisico
Figura 14B – Condizione al contorno di ingresso della velocità applicata alla faccia a monte con una velocità del flusso libero di 15 m/s.
Figura 15. Uscita di pressione applicata alla faccia a valle con una pressione manometrica statica di 0 Pa.
Definizione dei campi e degli output storici
Prima di avviare la simulazione, ho definito sia gli output di campo che gli output storici.
I dati rilevati sul campo sono stati utilizzati per visualizzare le variabili di flusso nell'intero dominio computazionale. Le variabili selezionate includevano:
- Velocità
- Pressione relativa e assoluta
- Pressione totale
- Vorticità
- Criterio Q
- velocità di taglio
Questi risultati avrebbero poi contribuito a identificare le variazioni di pressione, le zone di accelerazione, le strutture di flusso rotazionale e le possibili regioni di separazione.
Per le superfici della carrozzeria, ho creato degli output storici per monitorare:
- Forza totale del fluido
- forza di pressione
- forza viscosa
- Momento
Il monitoraggio di questi valori durante la soluzione ha fornito un quadro più chiaro della convergenza aerodinamica rispetto al semplice affidamento sui grafici dei residui.
Ho inoltre richiesto i valori di taglio a parete e y+ per valutare se la mesh vicino alla parete fosse appropriata per il trattamento della turbolenza selezionato.
Figura 16. Output.
Strategia di mesh a predominanza esagonale e controllo di qualità
Per questo studio di base, ho generato una mesh a predominanza esagonale per l'intero dominio del fluido esterno.
La dimensione globale degli elementi è stata definita tra 1 mm e 5 mm, con elementi più piccoli concentrati dove era richiesto un maggiore dettaglio geometrico. Ho inoltre abilitato gli strati limite utilizzando sette strati prismatici, con uno spessore del primo strato di 0,2 mm.
Questi strati erano importanti per catturare i gradienti di velocità in prossimità della superficie della carrozzeria e per consentire la valutazione dello sforzo di taglio parietale e dei valori di y+ dopo la simulazione.
Tuttavia, poiché lavoravo con le limitazioni di una licenza studentesca e un numero limitato di celle a disposizione, la mesh doveva rappresentare un compromesso tra accuratezza e costo computazionale. Per questo motivo, ho considerato questa mesh come una configurazione di base piuttosto che come una soluzione finale indipendente dalla mesh stessa.
Dopo la generazione della mesh, ho esaminato il rapporto di qualità utilizzando diversi criteri, tra cui il rapporto d'aspetto, la distorsione, gli angoli massimi e minimi, l'inclinazione e l'allungamento.
La maggior parte degli elementi rientrava nei limiti accettabili. Una piccola percentuale di celle è stata classificata come scarsa o pessima, principalmente in base al criterio del rapporto d'aspetto. Ciò non è inaspettato per un modello complesso di flusso esterno, dove il mantenimento di una qualità perfetta degli elementi in tutto il dominio può aumentare significativamente il costo computazionale.
Il rapporto sulla qualità ha confermato che la rete era idonea per un'indagine aerodinamica iniziale, ma non ha dimostrato l'indipendenza dalla rete stessa.
Per una futura iterazione, eviterei di perfezionare l'intero dominio in modo uniforme e mi concentrerei invece sull'aggiunta di elementi alle regioni aerodinamiche più importanti:
- La zona del naso, dove i gradienti di pressione sono più forti
- Transizioni di superficie nette identificate durante l'analisi CATIA
- La regione prossima alla parete
- La scia a valle
Questo approccio garantirebbe una maggiore precisione dove conta di più, mantenendo al contempo i costi della simulazione gestibili.
Figura 17. Impostazioni della mesh a predominanza esagonale e report di qualità per il modello di riferimento.
Avvio della soluzione a regime e monitoraggio della convergenza
Una volta completati la configurazione della mesh e della simulazione, ho avviato la soluzione in regime stazionario e ho iniziato a monitorare i risultati.
Durante il calcolo, ho utilizzato i dati storici per seguire l'evoluzione delle componenti della forza aerodinamica. Questo mi ha aiutato a capire se la soluzione si stava avvicinando a una condizione stabile con il progredire delle iterazioni.
Ho catturato l'immagine qui sotto quando la simulazione aveva raggiunto circa l'1% del suo completamento. Poiché la soluzione era ancora in fase di sviluppo, il valore della forza visualizzato non rappresenta il risultato aerodinamico finale.
Per una valutazione completa della convergenza, ho considerato congiuntamente diversi indicatori:
- Comportamento residuo delle equazioni della quantità di moto, dell'energia cinetica turbolenta e dell'omega
- Stabilità delle forze aerodinamiche monitorate
- Coerenza dei campi di pressione e velocità
Questo è stato un punto importante durante lo studio perché la sola riduzione del residuo non garantisce che le grandezze ingegneristiche abbiano raggiunto una soluzione stabile.
Un risultato CFD diventa significativo quando sia la convergenza numerica che il comportamento fisico del flusso mostrano un andamento coerente.
Figura 18. Fase iniziale della soluzione a regime con monitoraggio della forza abilitato.
Risultati CFD e interpretazione ingegneristica preliminare
Dopo aver completato la simulazione, ho analizzato i risultati combinando diverse visualizzazioni, tra cui le curve di livello della pressione relativa, la distribuzione della velocità, i vettori di velocità e le linee di flusso medie.
Anziché basarmi su un singolo grafico, ho utilizzato questi diversi risultati insieme per comprendere come il flusso d'aria interagisse con la carrozzeria.
Nella parte anteriore del muso si è formata una netta zona di ristagno, dove l'aria in ingresso rallentava creando una zona di pressione più elevata. Da questo punto, il flusso si separava attorno alle superfici superiore, laterale e inferiore della carrozzeria.
Seguendo le superfici curve, il flusso d'aria ha mostrato un aumento della velocità in diverse regioni, generando zone di bassa pressione. Le variazioni di pressione più marcate si sono verificate in corrispondenza del muso e delle aree di transizione nella parte inferiore anteriore. I risultati relativi alle linee di flusso e ai vettori di velocità hanno inoltre evidenziato come le transizioni di superficie identificate durante l'analisi CATIA abbiano influenzato il comportamento del flusso d'aria.
La maggior parte della sezione anteriore ha mantenuto un comportamento del flusso relativamente organizzato, ma le regioni a valle hanno mostrato un aumento delle perturbazioni, aree a velocità inferiore e sviluppo di scia. Il muso, l'angolo inferiore anteriore e la transizione posteriore sono risultati essere le aree più sensibili del progetto.
Identificazione dei limiti di progettazione e delle aree di miglioramento
Queste osservazioni sono risultate coerenti con le problematiche individuate durante le analisi relative alle forme a zebra, a porcospino e alla curvatura superficiale. Tuttavia, è importante chiarire che un'irregolarità superficiale visibile non implica automaticamente una penalizzazione aerodinamica misurabile.
Per quantificare l'impatto reale di queste regioni, sarebbe necessario un confronto con una geometria modificata e uno studio indipendente dalla mesh.
Poiché si trattava di un modello CFD semplificato che considerava solo la carrozzeria, ho utilizzato questi risultati principalmente per identificare il comportamento del flusso e le possibili aree di miglioramento.
Limitazioni dello studio CFD di base
La simulazione non includeva:
- Effetti dell'ala anteriore
- Ruote rotanti
- Componenti delle sospensioni
- Interazioni aerodinamiche complete del veicolo
Pertanto, questi risultati non devono essere considerati le prestazioni aerodinamiche definitive del veicolo Formula Student, bensì un primo passo verso la comprensione e il miglioramento del progetto.
Figura 19. Pressione relativa
Figura 20. Velocità
Figura 21. Vettore velocità
Figura 22. Telaio 2 della pressione relativa
Conclusione
Spiegare questo flusso di lavoro non è stato così semplice come mi aspettavo inizialmente. Il progetto combinava due aree diverse: la valutazione della qualità delle superfici in CATIA e l'analisi aerodinamica in SIMULIA.
Durante la preparazione di questo articolo, mi sono reso conto che documentare ogni passaggio mi ha anche costretto a mettere in discussione le mie stesse decisioni e a comprendere meglio il ragionamento alla base di ogni sceltadellmodellazione.
La community 3DEXPERIENCE si è rivelata un'importante fonte di apprendimento grazie a progetti condivisi, discussioni tecniche e diversi approcci ingegneristici.
Spero che questo articolo possa essere d'aiuto anche ad altri studenti che stanno iniziando a combinare l'analisi di superfici con CATIA e la fluidodinamica computazionale (CFD) con SIMULIA e che sono alla ricerca di un esempio pratico di un flusso di lavoro completo da CAD a CFD.
Ingegnere specializzato in dinamica dei veicoli, analisi strutturale, progettazione aerodinamica e CFD presso Konrul Racing.
Studente di Ingegneria Meccanica e membro del Konrul Racing Team, specializzato in progettazione di telai, CFD, analisi strutturale e dinamica dei veicoli. Esperienza con CATIA, 3DEXPERIENCEe ANSYS per lo sviluppo di Formula Student e droni. Appassionato di ingegneria nel motorsport e progettazione basata sulla simulazione.
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