In una caldaia, in un collettore di scarico o in una pala di turbina il problema non è la temperatura in sé ma la differenza di temperatura: il materiale si dilata in modo diverso in regioni diverse, quella dilatazione viene impedita, e nasce la tensione. La qualità del campo mappato dalla CFD all'analisi strutturale fissa quindi direttamente il risultato in tensione.
Che cosa si perde nella mappatura
Il gradiente. Le due griglie sono diverse; quella CFD è costruita per il flusso, quella strutturale per la tensione. Nell'interpolazione i gradienti ripidi di temperatura vengono lisciati e la tensione è sottostimata. Nelle regioni più critiche — cordoni di saldatura, cambi di sezione, bordi dei fori di raffreddamento — anche la griglia strutturale deve essere abbastanza fitta.
Disallineamento delle superfici. Se le superfici delle due griglie non coincidono, la mappatura lascia lacune. Su superfici curve questo produce uno scostamento sistematico.
Il tempo. Un risultato CFD stazionario dà un solo istante. Il momento di massima tensione termica di norma non è lo stazionario ma un transitorio — avviamento o raffreddamento improvviso. Si veda la nota su stazionario e transitorio.
La sequenza corretta
- Risolvere insieme flusso e solido per ottenere il campo di temperatura. Un campo ottenuto applicando il solo h sbaglia il gradiente. Si veda la nota sullo scambio termico coniugato.
- Selezionare i passi temporali più critici — non il picco di temperatura ma il picco di gradiente.
- Mappare i campi di temperatura e pressione sulla griglia strutturale.
- Verificare dopo la mappatura: le temperature massima e minima sulla griglia strutturale coincidono con i valori CFD? Se no, l'interpolazione è difettosa.
Non dimenticate la pressione
Nelle strutture a parete sottile in particolare, tensione termica e tensione da pressione possono essere dello stesso ordine e rinforzarsi a vicenda. Valutarle separatamente significa mancare la combinazione critica.
Riferimenti
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953