Nella modellazione numerica non tutti gli algoritmi sono creati uguali. Per esempio, il metodo MPS (Moving Particle Semi-implicit) è in grado di fornire specifici benefici in molte attività di ingegnerizzazione dei prodotti che coinvolgono le dinamiche di fluidi incomprimibili.
Negli ambienti industriali, si pensi al settore automobilistico, ma anche all’industria chimica, farmaceutica, medicale, all’ingegneria civile e ambientale: i software di simulazione sono strumenti ben conosciuti dai responsabili dei reparti ingegneristici e R&D aziendali, che hanno il compito di supportare lo sviluppo di nuovi prodotti, fornendo soluzioni tecniche fattibili, dal punto di vista economico e pratico (per accelerare la loro realizzazione) e i tempi di rilascio sul mercato. Simulare significa infatti poter ridurre il numero di prototipi fisici da costruire per arrivare al prodotto finale o elaborare, in maniera virtuale, un ambiente o uno scenario d’uso che sarebbe troppo lungo, costoso o impraticabile da ricreare nel mondo reale.
In ambito automotive, per esempio, una particolare categoria di software di modellazione permette di simulare il comportamento dei fluidi in uno scenario reale (come il funzionamento di un motore a combustione interna) quindi di eseguire uno studio fluidodinamico di un flusso multifase, con l’obiettivo di valutare le prestazioni del motore stesso. Altri esempi in ingegneria industriale potrebbero riguardare: gli studi aerodinamici dei profili di flusso che si formano attorno ad auto, navi o aerei; i flussi di fluidi in scambiatori di calore o reattori chimici.
Questo tipo di software di simulazione risulta oggi di estrema utilità anche nelle scienze geologiche o in quelle ambientali e meteorologiche, per studiare la formazione di uragani o le dinamiche dei fenomeni di dispersione degli inquinanti nell’atmosfera. In biologia e medicina, attraverso queste simulazioni, è possibile analizzare i flussi d’aria nei polmoni o il comportamento del flusso sanguigno nei vasi del corpo umano.
Fluidodinamica computazionale: limiti e soluzioni
Gli strumenti di modellazione numerica in grado di eseguire le simulazioni appena descritte sono conosciuti come software CFD (Computational Fluid Dynamics), o di fluidodinamica computazionale, e hanno una storia di evoluzione già abbastanza lunga. Tradizionalmente, le tecniche di modellazione numerica utilizzate si sono basate su strutture dati formate da maglie di data point e, tra questi metodi, si possono citare: il metodo degli elementi finiti (FEM - Finite Element Method) o il metodo delle differenze finite (FDM - Finite Difference Method).
Tali algoritmi “mesh-based” presentano però limiti nella fluidodinamica computazionale: quando le simulazioni prevedono, per esempio, la deformazione di materiali in tempo reale, la generazione di mesh strutturate per geometrie complesse finisce per introdurre errori nella simulazione; ciò richiede un’elevata potenza elaborativa a livello hardware.
Per ovviare a tali problemi sono stati quindi introdotti metodi “mesh-free” o “meshless”, in grado di semplificare l’algoritmo di approssimazione. Tra questi si può citare la tecnica SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), principalmente utilizzata per simulare le dinamiche di flussi di fluidi comprimibili e basata sull’adozione di uno schema esplicito per l’integrazione del tempo.
Simulazione Moving Particle Semi-implicit: i vantaggi di MPS
In genere, la maggioranza dei problemi ingegneristici che riguardano le dinamiche dei fluidi nei vari settori produttivi, si riferisce ad applicazioni in cui si ha a che fare con flussi di fluidi incomprimibili e, per tale ragione, più di recente è stato sviluppato e adottato un metodo particolare: l’algoritmo MPS, appunto. Tale metodo computazionale è ritenuto più valido di quello SPH nel risolvere in modo efficiente i problemi di modellazione in cui interagiscono fluidi incomprimibili. È il caso per esempio del software CFD Particleworks, distribuito da Enginsoft, basato su uno schema semi-implicito per l’integrazione del tempo. Anche in questo caso, la natura “mesh-free” dell’algoritmo computazionale MPS permette di eseguire simulazioni robuste ad alta risoluzione di flussi di fluidi, risparmiando il tempo altrimenti necessario per la generazione delle mesh per i diversi domini di fluidi. Il software Particleworks fornisce anche il supporto per l’importazione diretta di file dal software CAD e consente agli ingegneri di eseguire modellazioni complesse, come la simulazione del comportamento della polvere in un fluido o le interazioni dei fluidi con corpi solidi.
