Computational Fluid Dynamics (CFD) è lo studio del comportamento di fluidi, liquidi e gassosi, mediante l’uso di potenti computer che eseguono software con metodi numerici. La conoscenza dell’interazione dei solidi con i fluidi fluenti circostanti è di fondamentale interesse nella progettazione di molti dispositivi meccanici. Il CFD ha ampliato gli argomenti ai quali possono essere applicati studi ed esperimenti fluidodinamici.
Tradizionalmente, sono stati condotti studi di fluidodinamica computazionale in gallerie del vento o serbatoi d’acqua fluente con aerei, automobili e barche reali o di modello. Con l’uso del CFD, i meccanismi di diversi eventi come eruzioni vulcaniche, uragani, vortici nell’acqua o nell’aria, correnti oceaniche, il corso degli incendi e altro ancora sono potenziali bersagli. Un limite a questi studi è la conoscenza delle variabili che devono essere definite per ciascun sistema. Le variabili minime includono temperatura, pressione e composizioni per i sistemi sottoposti a reazioni chimiche a un limite definito.
Il software CFD si basa sulla soluzione delle equazioni di Navier-Stokes o sulle loro semplificazioni. Le variabili di interesse sono definite per un limite noto nel sistema. Una griglia virtuale di due o tre dimensioni viene posizionata sul sistema e le equazioni vengono risolte per le proprietà del fluido in entrata e in uscita su ciascun confine virtuale. Lo sviluppo del software CFD ha parallelizzato la disponibilità di potenza computazionale, poiché gli algoritmi richiedono ripetuti calcoli e ottimizzazione fino a quando non vengono trovate soluzioni.
La progettazione del veicolo è un obiettivo frequente negli esperimenti di fluidodinamica. I flussi d’aria intorno alle auto influiscono sulle prestazioni, sul consumo di carburante e sul livello di rumore. Aeroplani, barche e in particolare veicoli spaziali si basano su questi studi per prevedere l’accumulo di calore o ghiaccio e la razionalizzazione per ridurre le perdite per attrito.
La dissipazione del calore è un argomento importante nella fluidodinamica computazionale. Tutti i componenti elettronici sono sensibili all’accumulo di calore e sono spesso chiusi in piccole scatole con flusso d’aria limitato. Utilizzando i modelli CFD, i progettisti possono reindirizzare i componenti per migliorare il flusso d’aria e il raffreddamento.
Lo studio delle condizioni dello strato limite è affrontato dalla fluidodinamica computazionale. Lo strato limite si riferisce allo strato molto sottile di fluido che è statico lungo la superficie di un solido che si trova sul percorso di un fluido in movimento. In questo microambiente è dove la corrosione, il trasferimento di calore e i livelli di concentrazione dei componenti sono i più critici.
L’acquisizione di competenze per lavorare nel campo della fluidodinamica computazionale di solito richiede una formazione in ingegneria chimica o attività simili. È necessaria una conoscenza approfondita del trasferimento di massa, del trasferimento di calore, della cinetica e della fluidodinamica. L’uso di pacchetti commerciali di applicazioni CFD viene spesso insegnato dalla società di software o le competenze vengono sviluppate sul posto di lavoro.