Questa simulazione è stata ispirata dal video "90 ft. Vertical Spike Wave in Slow Mo" che mostra i risultati di un esperimento condotto dal FloWave Ocean Energy Research Facility. Utilizziamo parte del loro video per confrontare i risultati con la nostra simulazione. https://www.youtube.com/watch?v=iWKFPTgkpXo&t=105s Onda con picco verticale La Vertical Spike Wave è il risultato di un'onda concentrica che viaggia verso il suo centro. A seconda della sua velocità, l'onda può collidere nel mezzo e formare un picco d'acqua. Quest'onda può essere generata in una vasca circolare dotata di pannelli mobili su tutta la lunghezza del perimetro che spingono in un unico movimento coordinato l'acqua verso il centro. I pannelli devono essere attivati simultaneamente con lo stesso movimento per far sì che le onde viaggino in un unico movimento e si scontrino alla stessa velocità e con la stessa energia. Se la velocità è abbastanza alta, il livello dell'acqua al centro della piscina aumenterà notevolmente generando uno stretto ed alto picco [Figura 1], per poi ricadere a mo’ di fontana. Onda con picco verticale Configurazione del modello su FLOW-3D® FLOW-3D è stato utilizzato per impostare la simulazione della Vertical Spike Wave ed il risultato è stato elaborato su FlowSight. Per modellare l'onda circolare la mesh è stata definita in coordinate cilindriche: questo ha permesso di simulare solo una parte della piscina [Figura 2] e di duplicarla successivamente su FlowSight per dare l’impressione che l'intera piscina sia stata modellata. Figura 2 - Setup FLOW-3D La maggior parte delle misure sono note dal video di The Slow Mo Guys, così è stato possibile dare alla simulazione le dimensioni reali. La piscina è larga circa 50 metri ed è dotata di 168 pannelli. Abbiamo stimato che i pannelli impieghino all’incirca 4s per compiere un movimento completo avanti e indietro, inclinandosi di un angolo di 17.2°. Per impostare la simulazione, è stato creato la vasca direttamente su FLOW-3D utilizzando le capacità di modellazione geometrica di base fornite dal software, mentre il pannello è stato importato come file STL [Figura 3]. Quest’ultimo è stato configurato come oggetto in movimento a cui è stato applicato il movimento definito in precedenza. All'inizio l'acqua è completamente immobile e si è verificato che una sola spinta è sufficiente per creare il picco d’onda cercato. Pannelli di spinta dell'acqua Risultati Il movimento complessivo e l'energia corrispondono alla realtà con un'ottima precisione. Alcune differenze sono visibili solo nella parte superiore del picco, che nella realtà frange: questi effetti sono trascurabili per il nostro confronto, ma potrebbero essere presi in considerazione con una simulazione completa 3D e 2 fluidi. Figura 4 - L'esperimento e la simulazione fianco a fianco … [Leggi di più...]
Ottimizzare il design per la produzione di massa
Introduzione La fase di sviluppo di un prodotto prevede varie fasi di calcolo e di design che prevedono una serie di passi predefiniti atti al raggiungimento della fase di produzione di massa. In vista di questo obiettivo, tenendo conto dell'elevato numero di pezzi da produrre, ogni risparmio di materiale è vantaggioso e rilevante dal punto di vista economico. Le parti coinvolte nella produzione hanno infatti la necessità di ridurre il materiale di scarto (rilevante per la fonderia) e di ridurre del peso dei componenti (rilevante per il cliente finale). Il processo di ottimizzazione della forma del prodotto aiuta entrambe le parti (fonderia e cliente) ad avere il giusto compromesso per avere un adeguato risparmio ottenendo la massima qualità dei pezzi prodotti. In questo articolo mostreremo il processo di ottimizzazione del design per la produzione di massa di un prodotto di fonderia, utilizzando un software di ottimizzazione e un simulatore di processo. Il fine è di analizzare la solidificazione del metallo presente nel sistema d’interesse e di valutare come l’ottimazione aiuti entrambe le parti coinvolte a trarne profitto. Sviluppo del progetto Figura 1 - Componente da produrre Il componente che si vuole ottimizzare in questo studio è prodotto mediante una colata di metallo in sabbia, una delle tecniche più antiche, semplici ed economiche. La fase preliminare di design ha fornito un prototipo in formato stereolitografia (STL) già potenzialmente buono per la produzione (il modello è stato fornito in gentile concessione da Flow Science Deutschland). Nell’immagine [Figura 1] si notano il sistema di alimentazione del sistema (in giallo) e la geometria del pezzo da produrre (in rosso). Il peso del solo pezzo di questa configurazione di partenza è di 2.197kg, quello dell’intero sistema è di 3.126kg. L’obiettivo principale è quello di ottenere un peso complessivo del sistema il minore possibile senza avere porosità significative nel pezzo, agendo su alcuni particolari delle geometrie stesse. I parametri scelti per esser modificati, al fine di ottenere il miglior risultato possibile, sono le dimensioni dell’alimentatore [Figura 2], lo spessore della parete verticale più vicina all’alimentazione e lo spessore della zona di transizione tra le due pareti [Figura 3.]. Figura 2 - Promi parametro dell'ottimizzazione Figura 3 - Secondo e terzo parametro dell'ottimizzazione Le variabili in gioco sono quindi potenzialmente molteplici ed esplorarne manualmente tutte le possibili combinazioni può essere un lavoro molto lungo e complesso. Per questo motivo si è scelto di avvalersi di un ottimizzatore numerico, in grado di esplorare le soluzioni in modo autonomo. In particolare, è stato scelto IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. Come simulatore di processo, invece, si è scelto FLOW-3D® CAST per la precisione, l’affidabilità e la semplicità di utilizzo nell’ambito di simulazioni di fonderia. Per modificare la forma geometrica il software di ottimizzazione consente sia di interfacciarsi direttamente a CAD parametrici, qualora si disponesse del file in formato originale, sia di modificare direttamente all’interno di IMPROVEit un file STL, nel caso in cui, come in questo test, si disponesse solo di quest’ultimo. Una volta scelti i parametri da modificare, il software è in grado di modificare internamente la forma delle geometrie, lanciare le simulazioni di solidificazione interfacciandosi con il software di processo FLOW-3D® CAST utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati delle analisi ed elaborarli con opportuni nodi matematici per ottenere la quantità da ottimizzare. La [Figura 4] mostra il foglio di lavoro del nostro caso Figura 4 - Rete di ottimizzazione La simulazione della solidificazione è stata impostata per rilevare la dimensione delle porosità da ritiro presente a fine simulazione in quattro volumi di controllo che dividono altrettante quattro zone distinte la geometria del pezzo ([Figura 5]), blu scuro la parte superiore, giallo la parte centrale, ciano la parte sinistra e magenta la parte destra. Di questi, solo tre sono rilevanti ai fini dell’ottimizzazione, in accordo con il committente: la porosità presente nella parte superiore (blu scuro) non è stata presa in considerazione. Nella configurazione iniziale il volume di porosità totale da ritiro nei tre volumi di controllo considerati è di 581mm3 Figura 5 - Volumi di controllo Esecuzione Ai fini del processo di ottimizzazione si è scelto di avere due obiettivi ed un vincolo, rispettivamente minimizzare il peso del sistema di alimentazione, minimizzare il peso del pezzo e avere un volume di porosità nei tre volumi di controllo scelti sotto una soglia sufficientemente bassa da poter considerare il pezzo esente da difetti visibili. Impostare un’ottimizzazione con due obiettivi ed un vincolo … [Leggi di più...]
(English) Increasing Discharge Capacity with the Piano Key Weir
Ci spiace, ma questo articolo è disponibile soltanto in Inglese Americano e Francese. … [Leggi di più...]
Ottimizzazione della forma di un sanitario
La progettazione dei sanitari non segue solo criteri estetici ma deve sottostare anche a delle rigide normative che ne regolano il buon funzionamento. Tra queste, un sanitario deve garantire una buona ed efficace pulizia delle superfici interne, facendo sì che in fase di scarico l’acqua rimuova adeguatamente la maggior parte dello sporco. Il presente studio è volto ad analizzare possibili forme alternative sia per l’inlet dell’acqua di scarico sia per la tazza stessa, che massimizzino la superficie dell’interno del sanitario bagnata dall’acqua. Le variabili in gioco sono potenzialmente molteplici ed interconnesse tra loro: esplorarne manualmente tutti i possibili valori può essere un lavoro molto lungo e complesso, così come comprenderne gli effetti sull’obiettivo fissato. Per questo motivo si è scelto di utilizzare un software di ottimizzazione che rispondesse a questa esigenza: interfacciandosi con i più disparati software si è infatti in grado di automatizzare il lavoro, analizzare l’influenza di molteplici parametri e di comprendere il legame tra essi e le performance che si vogliono migliorare. Il software scelto è IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. https://www.youtube.com/watch?v=7KoQHw1VQfk&feature=youtu.be Il software è in grado di modificare internamente la forma di geometrie STL sulla base di parametri fissati dall’utente, lanciare delle simulazioni fluidodinamiche interfacciandosi con il software CFD FLOW-3D® utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati del software ed elaborarli con opportuni nodi matematici o invocando Excel per ottenere la quantità da ottimizzare. FLOW-3D® è stato scelto per le sue ottime capacità, in termini di velocità e accuratezza, nel calcolo di flussi transitori e a superficie libera. Sono stati scelti tre parametri geometrici da variare, per non complicare eccessivamente il problema: la direzione dell’inlet, la sezione di uscita dell’inlet e la pendenza della parte anteriore del sanitario, giocando con la curvatura qui presente. L’ottimizzazione può essere certamente complicata con più tempo a disposizione. L’obiettivo invece è di massimizzare la superficie bagnata dell’interno del sanitario, calcolata come l’integrale dell’area coperta da liquido durante tutto il tempo di scarico suddivisa per il tempo di scarico stesso. Inoltre, è stato imposto il vincolo che l’acqua non debba fuoriuscire dalla parte superiore del sanitario, nemmeno in piccole quantità, per scartare quelle soluzioni che pur lavando bene la superficie provocano spruzzi indesiderati. La simulazione fluidodinamica è stata impostata inizializzando l’acqua nella vaschetta a monte del sanitario e impostando come condizioni al contorno l’uscita dal tubo di scarico e la pressione atmosferica dell’aria. Così facendo il flusso d’acqua è libero di entrare liberamente e naturalmente all’interno del sanitario. La simulazione è arrestata quando la vaschetta è completamente vuota. IMPROVEit ha il vantaggio di non necessitare di conoscenze nel campo dell’ottimizzazione per essere utilizzato, in quanto è in grado di scegliere autonomamente la strategia migliore per raggiungere l’obiettivo. Richiede soltanto di definire un budget, ovvero il tempo che si vuole dedicare all’ottimizzazione, poiché la strategia scelta è tale da cercare le soluzioni ottimali intorno alla fine di questo periodo. Poiché ogni ciclo di calcolo (variazione delle geometrie, simulazione fluidodinamica ed elaborazione degli output) dura all’incirca 40 minuti, si è scelto un budget di 25 cicli, in modo da avere il risultato in poco più di un giorno. Considerando che ci sono 3 variabili in gioco e che il problema è di natura complessa, si può ritenere un caso piuttosto impegnativo per il software di ottimizzazione. Nonostante ciò, IMPROVEit è stato già in grado di proporre soluzioni che aumentino la superficie del wc bagnata dall’acqua fino al 35%. Inoltre, analizzando il panorama delle soluzioni trovate, si può comprendere meglio l’influenza dei vari fattori. Si nota, infatti, come diametri di uscita più larghi premino poiché permettono una fuoriuscita maggiore di massa nell’unità di tempo, nonostante una strozzatura ridotta comporti velocità maggiori. La direzione dell’inlet che dà i migliori risultati, invece, è quella allineata con il piano orizzontale, mentre la forma del sanitario ha effetti più vari, senza evidenziare una tendenza così netta. … [Leggi di più...]
Simulazione di una turbina Pelton – dal transitorio di innesco alla condizione di regime
Le turbine Pelton (o ruote Pelton) sono tra i tipi di turbina ad oggi maggiormente utilizzate nel mondo per la generazione di corrente elettrica negli impianti idroelettrici per via della loro elevata efficienza. Il loro progetto risale al 1870 tuttavia, pur con alcune modifiche, risultano ancora la prima scelta per i moderni impianti idroelettrici. In una turbina Pelton l'energia è estratta dall'energia cinetica dell'acqua, al contrario di altri tipi di turbina in cui si sfrutta la pressione idrostatica: l'acqua, in arrivo da un bacino a monte, è accelerata ed espulsa contro le pale della turbina. La geometria della pala è studiata opportunamente per poter assorbire la maggior parte di energia cinetica dell'acqua, innescando la rotazione. La velocità di rotazione della turbina è poi convertita in corrente elettrica attraverso un generatore. La simulazione analizza il transitorio di avvio della turbina, dove dell'acqua a 100 m/s viene fatta impattare sulle pale della Pelton inducendo una coppia ed una accelerazione angolare. https://www.youtube.com/watch?v=lb2xEbHmWKw Tutte le geometrie e i dati utilizzati nella simulazione sono realistici e coerenti con i fenomeni reali: la geometria della ruota ha una forma e delle proprietà di massa reali, il fluido è acqua con una velocità ragionevole, e l'ugello contiene una valvola a due vie, utilizzata nelle turbine reali per regolare la portata dell'acqua. Interessante è il grafico della velocità angolare della ruota. Per le turbine Pelton, è noto che l'efficienza massima si raggiunge quando la velocità periferica della ruota è circa la metà della velocità dell'acqua all'ugello. A tale scopo, al centro dell'ugello è stata posizionata una sonda per monitorare la velocità del fluido, mentre un'altra sonda è stata collegata ad un apaletta della ruota per rilevare la velocità periferica. Le due grandezze possono essere visualizzate direttamente in uscita dalla simulazione. I video fanno un ampio uso delle caratteristiche di Flowsight: trasparenza basata sul valore delle variabili, telecamera in movimento, regolazione fine della luce e dei riflessi, visualizzazione multi-plot e multi-viewport. https://youtu.be/TddbeL1lK9I … [Leggi di più...]
