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Accoppiamento pressione-velocità: segregato o accoppiato?

Nel flusso incomprimibile la pressione non ha un'equazione propria; si ricava dalla continuità. Il modo in cui si compie quella derivazione fissa il comportamento in convergenza.

La difficoltà peculiare del flusso incomprimibile è questa: le equazioni di quantità di moto danno la velocità, ma non esiste un'equazione di trasporto separata per la pressione. La pressione si ricava indirettamente dalla condizione di continuità, e il metodo di quella derivazione fissa il carattere del solutore.

Solutori segregati

Le equazioni di quantità di moto e di correzione della pressione si risolvono in sequenza; la famiglia SIMPLE e i suoi derivati sono gli esempi classici di questo approccio [1]. Per i problemi transitori, il metodo PISO, basato sulla separazione degli operatori, riduce il numero di iterazioni necessarie per passo [2].

Vantaggio: basso fabbisogno di memoria, economico su griglie grandi. Limite: poiché l'accoppiamento fra pressione e velocità è debole, la convergenza è lenta e sensibile ai fattori di sottorilassamento.

Solutori accoppiati

Quantità di moto e continuità si risolvono insieme in un unico sistema.

Vantaggio: converge in molte meno iterazioni; nettamente superiore nei problemi in cui domina il galleggiamento e l'accoppiamento pressione-velocità è forte. La convezione naturale è l'esempio tipico. Si veda la nota sulla convezione naturale. Prezzo: maggiore memoria e maggior lavoro per iterazione.

Scelta pratica

Problema Preferenza
Griglia grande, fisica semplice, ampio budget di iterazioni Segregato
Convezione naturale, forte galleggiamento Accoppiato
Transitorio con passi temporali piccoli Segregato (tipo PISO)
Stazionario che non vuole convergere Provare prima l'accoppiato

Un'avvertenza

Il tipo di solutore cambia la velocità di convergenza, non la soluzione. Due risultati convergenti, uno segregato e uno accoppiato, devono coincidere. Se non coincidono, almeno uno non è convergente. Si veda la nota sulla convergenza.

Riferimenti

  1. Patankar, S. V. (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing. ISBN 978-0-89116-522-4.
  2. Issa, R. I. (1986). Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics, 62(1), 40–65. DOI: 10.1016/0021-9991(86)90099-9
  3. Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6

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