Ci sono due modi fondamentali di includere la rotazione nelle analisi di pompe, ventilatori, compressori e turbine. La differenza di costo fra i due è grande; quella di accuratezza dipende dal problema [1] [2].
Sistema di riferimento rotante (frozen rotor)
La zona rotante si risolve in stazionario in un riferimento rotante. I componenti non si muovono l'uno rispetto all'altro e all'interfaccia si esegue una media circonferenziale.
Dove va bene: vicino al punto di progetto, con flusso a monte e a valle uniforme in direzione circonferenziale, e quando la grandezza cercata è una media — prevalenza, curva pressione-portata, rendimento.
È economico: una soluzione stazionaria, tipicamente poche ore.
Griglia scorrevole
La zona rotante ruota fisicamente a ogni passo temporale, e il flusso attraverso l'interfaccia è calcolato nella reale posizione relativa. È in transitorio.
Dove è necessaria:
- Quando conta l'interazione rotore-statore. Vicino alla lingua di una voluta o alle palette direttrici, il passaggio delle pale produce una fluttuazione ciclica di carico sulla pala. Un frozen rotor non può mostrarlo per definizione.
- Nel funzionamento lontano dal punto di progetto. A carico parziale compaiono stallo rotante e ricircolo; sono fenomeni transitori.
- Quando la domanda riguarda vibrazione, rumore o fatica. La grandezza cercata è la fluttuazione stessa.
- Quando si indaga l'innesco della cavitazione; la pressione minima istantanea sta ben sotto la media.
È costosa: vanno risolte più rivoluzioni complete, tipicamente da dieci a cinquanta volte il costo di un frozen rotor.
Un flusso di lavoro pratico
Producete prima l'intera curva con un frozen rotor. Poi verificate solo i punti critici — il punto di progetto e il punto estremo di carico parziale — con una griglia scorrevole. La differenza fra i due mostra su quale intervallo ci si possa fidare dei risultati frozen rotor, ed è questa la parte preziosa della relazione.
Errori comuni
Mettere l'interfaccia nel posto sbagliato. Il contorno della zona rotante dovrebbe stare abbastanza lontano dall'apice della pala e dove il flusso si è ristabilito.
Forzare una soluzione stazionaria che non converge. Se un frozen rotor non converge, di solito è segno che la fisica è transitoria, non che occorra lavorare ancora sui fattori di sottorilassamento.
Dimenticare i limiti di un modello a canale singolo. Si veda la nota sulle ipotesi di simmetria e periodicità.
Riferimenti
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.