Casi di Successo CFD: Energie Rinnovabili ed Ottimizzazione Fluidodinamica Riempitrice

Ing. Riccardo Castagnoli
(ASOTECH)

Sommario

L’utilizzo di strumenti di fluidodinamica computazionale si sta rapidamente estendendo a diversi campi del mondo industriale. ASOTECH, società di ingegneria con oltre 100 dipendenti di Reggio Emilia attiva da oltre 20 anni, presenterà alcuni casi di successo nel mondo industriale. Oltre a diversi software in ambito CAD, ASOTECH ha a disposizione la suite ANSYS, tra cui è presente anche la suite Discovery, per la realizzazione di simulazioni FEM e CFD. Scopo della presentazione sarà quello di mostrare alcuni casi applicativi di queste nuove tecnologie: la presentazione in particolare verterà sull’ottimizzazione di una turbina eolica ad asse verticale di ultima generazione (caratterizzazione e studio della turbina) e sul miglioramento della distribuzione dei flussi nella camera di una riempitrice asettica. Durante la presentazione, ASOTECH si concentrerà sullo studio fatto sui casi e il confronto dei risultati forniti da software utilizzanti metodologie basate sul calcolo senza le “canoniche” griglie di calcolo ed i tradizionali programmi mesh-based. ASOTECH ha lavorato su una nuova taglia di turbina ad asse verticale: l’attività ha permesso di dimensionare da zero il rotore della turbina per garantire la resa voluta, escludendo soluzioni poco efficienti; in secondo luogo, le analisi hanno permesso di fornire i dati necessari per il calcolo strutturale sulle sue componenti principali. La presentazione proseguirà con la descrizione delle attività svolte sull’ottimizzazione dei flussi, mediante ANSYS Discovery, in una camera di una riempitrice asettica progettata internamente ad ASOTECH, per migliorarne il lavaggio e la sanificazione. Per ognuno dei casi, si illustreranno i risultati ottenuti con i software CFD e le particolarità emerse durante il confronto.

1. TURBINE EOLICHE: CREAZIONE DI UNA NUOVA TAGLIA

ASOTECH in collaborazione con un proprio cliente, ha sviluppato una nuova taglia di turbina eolica ad asse verticale. Il cliente aveva la necessità di sviluppare da foglio bianco, un modello di turbina di potenza nominale 27kW, la quale diventerà la nuova top di gamma. L’analisi si è sviluppata a partire dal software open source Qblade, mediante il quale è stato dimensionato geometricamente il rotore, in modo da poter erogare la potenza voluta.

Figure 1:Rappresentazione turbina in Qblade

In un secondo momento, i punti di funzionamento di maggiore interesse fluidodinamico, sono stati verificati tramite analisi bidimensionale con il software ANSYS Fluent, in modo da avere conferma ulteriore sui punti di funzionamento e sui rendimenti delle pale.

Figure 2:Simulazione CFD 2D turbina

La parte finale dell’analisi e del confronto tra i solutori, ha coinvolto la simulazione basata sulla LLT, mettendo a confronto i risultati ottenuti mediante l’ausilio di questa funzione, con quelli ottenuti dalle analisi CFD nelle medesime condizioni.

Figure 3:Simulazione LLT turbina

I risultati mostrano che il software Qblade, permette di avvicinarsi molto alle prestazioni stimate da Fluent, con tempistiche notevolmente inferiori, permettendo di scremare geometrie di pala non ottimali, con relativa rapidità e precisione, relegando l’analisi di più elevata complessità solo ai punti di funzionamento dove si chiede un più elevato livello di dettaglio.

2: OTTIMIZZAZIONE FLUSSI CAMERA ASETTICA

ASOTECH, in collaborazione con un suo cliente, ha sviluppato una macchina riempitrice asettica di nuova generazione. Tali macchine, ambiscono a sostituire le riempitrici di attuale concezione, le quali prevedono la pastorizzazione del prodotto successivamente alla fase di riempimento. Questa nuova tipologia di riempitrici, prevede l’avere una camera di riempimento completamente asettica, in modo da riempire le confezioni di prodotto in modo sterile.

Una delle condizioni principali perché ciò avvenga è l’utilizzo di camere in sovrapressione, in modo da impedire al flusso “non sterile” di entrare nella zona di riempimento.

Figure 4:Ottimizzazione flussi asettica

ASOTECH ha condotto, grazie alla tecnologia offerta dalla piattaforma ANSYS Discovery, una serie di analisi fluidodinamiche per ottimizzare lo shaping delle appendici aerodinamiche della camera, in modo da ottenere una migliore mescolazione dei flussi in camera, che fossero anche realizzabili dal punto di vista pratico, soprattutto sotto l’aspetto della lavabilità e della sanificazione.

Figure 5:Ottimizzazione flussi asettica

Infine, è stata analizzata la geometria che ha realizzato il miglior compromesso tra realizzabilità e prestazioni con ANSYS CFX, per confrontare i risultati tra i due solutori a pari condizioni.

Le analisi hanno permesso di ottenere una macchina con una migliore distribuzione di flusso, che permette di avere una più corretta mescolazione e distribuzione del prodotto sterilizzante in lavaggio.

Dal confronto tra ANSYS Discovery e ANSYS CFX, è emerso che quest’ultimo è necessario per effettuare analisi di dettaglio, una volta stabilita la geometria corretta da utilizzare, mentre il primo è molto utile in fase di brainstorming e di selezione della soluzione ottimale.