Studio delle tecniche di fluidodinamica computazionale per la risoluzione approssimata delle equazioni di Navier-Stokes e l’analisi del dispositivo tubo a vortice ad effetto Ranque-Hilsch

La fluidodinamica computazionale (CFD) rappresenta un metodo di studio delle tecniche e degli algoritmi di previsione e simulazione del comportamento dinamico dei fluidi tramite calcolatori digitali. Il suo impiego permette un significante risparmio in termini di tempi, costi e onerosità del calcolo, garantendo inoltre una superiore accuratezza e completezza dei risultati rispetto ad un approccio puramente analitico. La CFD si basa sull’implementazione delle equazioni di Navier-Stokes, le quali sono in grado di fornire una previsione accurata del comportamento del fluido, basandosi sui principi fondamentali della meccanica dei continui. L’utilizzo di un sistema digitale risulta fondamentale per l’impiego di queste equazioni, a causa della loro complessità: la risoluzione analitica delle equazioni di Navier-Stokes rappresenta ancora uno dei problemi irrisolti della matematica moderna. In questa trattazione si vuole analizzare quali sono le differenti tecniche utilizzate nell’ambito della CFD, allo scopo di evidenziare i vantaggi e le caratteristiche di ciascuna di esse. Valutando poi le peculiarità di ogni procedura sarà possibile determinare quale approccio sia preferibile assumere, nelle reali situazioni applicative. Dopo una breve contestualizzazione iniziale che pone le basi teoriche del problema trattato dalle equazioni di Navier-Stokes, si introdurranno i differenti metodi di calcolo della fluidodinamica computazionale: simulazione numerica diretta (DNS), equazioni di Navier- Stokes mediate (RANS) e large eddy simulation (LES). Al termine della discussione si vuole fornire un esempio di una reale situazione applicativa di una di queste strategie, allo scopo dell’analisi del dispositivo tubo a vortice ad effetto Ranque-Hilsch.