Caratterizzazione fluidodinamica della camera di allagamento di una turbina rotante tramite modellazione CFD e sistemi HPC: prospettive per una progettazione integrata numerico-sperimentale.
R. Ponzini, A. Penza, R. Vadori, B. Puddu
Questo lavoro, selezionato nell'ambito dell'iniziativa pilota SHAPE (SME HPC Adoption Programme in Europe) nell'ambito di PRACE-3IP, si occupa dello studio di una macchina volumetrica attraverso l’associazione di modelli numerici a misure sperimentali. La macchina è in fase di sviluppo attivo ed un prototipo sperimentale completamente instrumentato è utilizzato per monitorarne le caratteristiche presso Thesan srl. Il prototipo opera pertanto in condizioni controllate all’interno di un banco prova, dando come uscita l'efficienza della macchina stessa. Tuttavia eventuali discrepanze nei risultati attesi a livelli di performance energetica non possono che essere registrati ed i meccanismi fluidodinamici alla base del funzionamento della macchina non possono essere osservati con i metodi ordinari di misura. Tuttavia grazie ad una modellazione CFD integrata con le misure sperimentali è possibile effettuare test virtuali su diverse soluzioni progettuali per visualizzare e misurare grandezze fisiche utili a valutare le prestazioni di una data geometria o configurazione di utilizzo. L'obiettivo finale è quello di ottenere, tramite una modellazione integrata numerico-sperimentale, informazioni utili a progettare una migliore geometria dei vari componenti, soprattutto per quanto riguarda la camera di allagamento, riducendo anche il tempo e le risorse necessarie per realizzare un prototipo fisico oltre che limitando la realizzazione fisica alla singola nuova forma scelta. Il calcolo ad alte prestazioni e l’utilizzo di strumenti open-source, come ad esempio OpenFOAM, sono quindi di grande interesse per gestire un modello fisico complesso come quello in esame e per eseguire una quantità sufficiente di analisi delle configurazioni di progettazione in tempi rapidi e con costi contenuti.
Nell'ambito dell'iniziativa pilota SHAPE (SME HPC Adoption Programme in Europe) [1] all’interno di PRACE-3IP, è stata resa possibile la collaborazione da centri di calcolo e PMI per lo studio di problemi di interesse industriale che richiedono l’uso di tecnico di calcolo parallelo e di progettazione virtualizzata. Il problema preso in considerazione è un dispositivo per la mini-micro produzione di energia idraulica prototipizzato da Thesan [2] e studiato presso CINECA [3] con tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD). Al fine di ottenere una comprensione più profonda circa la fluidodinamica presente nel dispositivo tramite un modello virtuale abbiamo dovuto eseguire una serie di attività:
- costruire un modello CFD utilizzando il toolbox OpenFOAM (OpenCFD Ltd.) [4] a partire dal CAD del prototipo;
- studiare quattro condizioni di funzionamento fissando RPM e portata massica in ingresso come da misure sperimentali;
- visualizzare i pattern e le strutture fluidodinamiche alle varie condizioni;
- quantificare indici sintetici della fluidodinamica osservata.
In questa sezione, dunque, si descrivono in primo luogo di tutti i metodi di set-up ed i protocolli di simulazione per la progettazione e la realizzazione del flusso di lavoro adottato per effettuare lo studio CFD del dispositivo rotante ottenuto utilizzando i sistemi di calcolo ad alte prestazioni (High Performance Computing) disponibili presso CINECA. Le attività di ricerca sono state svolte per mezzo di diversi strumenti, che hanno permesso la realizzazione di un flusso di lavoro efficiente. Tutti gli strumenti scelti sono open-source in modo che il flusso di lavoro progettato possa sfruttare in modo efficiente i sistemi distribuiti senza limitazioni dovute alle licenze. Figura 1 riporta il flusso di lavoro. In poche parole il flusso di lavoro progettato e realizzato in questo progetto è una catena di virtualizzazione che, a partire dalla geometria CAD e dai valori di ingresso definiti dalle misure sperimentali effettuate da Thesan, è in grado di svolgere questi compiti:
- generare una discretizzazione geometria opportuna per l'analisi CFD;
- impostare un modello CFD coerente;
- risolvere il modello CFD su un sistema di calcolo distribuito;
- visualizzare le strutture e calcolare quantità significative grazie alla post-elaborazione dei dati CFD;
- sintetizzare indicatori fluidodinamici della configurazione studiata.
Questa catena computazionale è quindi costituita da più elementi. La figura 2 mostra in dettaglio gli strumenti computazionali coinvolti nel flusso di lavoro:
- CAD&Mesh (in blu) è costituito da snappyHexMesh (il pre-processore per la generazione di mesh nativo di OpenFOAM).
- CFD (azzurro) è costituito da OpenFOAM (OpenCFD Ltd.), versione 2.3.0.
- Visualizzazione e post-processing (in arancione) è costituito da ParaFOAM, una versione di ParaView v3.98 (Kitware Inc.) in grado di leggere dataset OpenFOAM.
- Infrastruttura HPC (in verde) è fornito dalla macchina CINECA denominata PLX e rappresenta l'ambiente di calcolo sottostante che è considerato il motore delle attività sopra elencate.
Figura 1. Flusso di progettazione virtuale CFD.
Il flusso di lavoro progettato è molto generale e può essere considerato valido per una vasta gamma di applicazioni CFD che qui abbiamo applicato al problema fluidodinamico specificato da Thesan. Il risultato principale del work-flow è quindi quello di stabilire quali pattern fluidodinamici sono presenti all'interno del dispositivo e determinare possibili modifiche da applicare ad un nuovo design pilotate direttamente da considerazioni fluidodinamiche e volte ad una maggiore efficienza energetica.
Il primo passo dell'analisi CFD consiste nel costruire le geometrie 3D che descrivono il volume occupato dal fluido. Il modello 3D deve poi essere discretizzato (mesh) al fine di consentire di risolvere le equazioni della fluidodinamica. La modellazione solida è stata eseguita a partire dal CAD 3D fornita da personale Thesan. I dati geometrici sono stati quindi importati in openFOAM attraverso il formato stereolitografia (. STL). Figure 3 visualizza una rappresentazione della geometria risultante per il prototipo in esame. Si noti che la costruzione di modelli geometrici 3D per la successiva analisi CFD significa modellare il volume occupato dal fluido; il volume occupato dai solidi è vuoto, o, più propriamente, non esiste affatto nel modello considerato. Esistono però le superfici di interfaccia tra i domini solidi quelli fluidi detti ‘boundary’ e a cui vanno assegnate delle proprietà al fine di modellare numericamente il problema fisico di interesse. Il processo di meshing è stato reiterato utilizzando la funzionalità SnappyHexMesh disponibile in OpenFOAM al fine di ottenere una rappresentazione discretizzata soddisfacente del dominio fluido e sempre mantenendo le caratteristiche della definite nel CAD progettato da Thesan. La simulazione della fluidodinamica è stata effettuata utilizzando una libreria open-source consolidata, OpenFOAM. I protocolli di simulazione (proprietà del fluido, le condizioni al contorno, impostazioni del solver), valide per tutte le simulazioni effettuate sono descritti di seguito.
Proprietà del fluido. È stato utilizzato un modello di fluido incomprimibile newtoniano con densità e viscosità cinematica costante. Il valore adottati sono quelli di acqua in condizioni ambiente.
Condizioni al contorno. La condizione di no-slip è stato applicato a tutti i confini del dominio fluido che sono impermeabili al fluido stesso (di solito chiamate pareti del modello). Tutte le pareti sono state assunte come rigide. Altre superfici del modello sono superfici su cui è essere applicata una tra queste condizioni:
- la pressione: la sezione terminale del condotto di uscita è di questo tipo. Un valore di pressione di riferimento viene applicato come condizione al contorno (tipicamente zero).
- il flusso del fluido: la sezione iniziale del condotto di ingresso è di questo tipo. Una velocità di ingresso, o equivalentemente un valore complessivo di portata, viene applicato come una condizione al contorno in questo caso.
Vi sono poi volumi in cui il fluido è rotante rispetto ad altre parti del modello. Per questo tipo di elementi abbiamo usato una modellazione ben consolidata già disponibile in OpenFOAM chiamata Multiple Reference Frame (MRF). Figura 4 mostra le condizioni al contorno studiate nei quattro modelli CFD di interesse.
Sono riportati anche i valori RPM.
Impostazioni di simulazione. Tutte le simulazioni sono state eseguite con il cosiddetto solutore pimpleFOAM, che è il solutore adatto per flussi non stazionari incomprimibili e metodi RANS per turbolenza. Per raggiungere correttamente la convergenza numerica, fattori di rilassamento sono stati modulati per la velocità e per la pressione. La convergenza è stata accettata quando i residui di quantitativi di continuità, quantità di moto, velocità e turbolenza scendevano al di sotto di 10-7 all’interno di ciascun passo temporale di integrazione delle equazioni.
Post-processing. L'elaborazione quantitativa del campo di moto nel dispositivo consisteva principalmente nel calcolo della perdita di carico totale del dispositivo essendo questo valore considerato da Thesan pertinente per definire la perdita di potenza correlate con la presenza di strutture fluidodinamiche avverse. Questa quantità, calcolata per ogni configurazione di moto (portata/RPM), è stata usata per definire una percentuale di perdita di pressione nella prima camera del prototipo. Questo valore rappresenta il principale risultato dell'indagine CFD qui presentato. Risultati computazionale della dinamica dei fluidi sono stati poi post-elaborati per estrarre e visualizzare anche le strutture fluidodinamiche presenti.
Risultati
I risultati CFD sono presentati in figura 5 e 6 con il criterio di visualizzazione scelto per enfatizzare la presenza di strutture avverse utile a guidare i cambiamenti geometrici di futuri prototipi.
Al fine di ottenere una valutazione del guadagno ottenibile con strumenti CFD quando questi vengono utilizzati su di una piattaforma HPC abbiamo eseguito delle prove di scalabilità variando il numero dei processori utilizzati per il calcolo da 1 fino a 96 per una configurazione di mesh (1,9 milioni di celle) ed evidenziato indici significativi come costo computazionale unitario, speed-up ed efficienza del calcolo distribuito. Nel nostro benchmark abbiamo trovato:
- un 'ottimale' rapporto tra numero di elementi di cella e numero di core computazionali che può essere utilizzato per future analisi anche su mesh di taglia maggiore;
- un possibile valore di costo per loop completo del dispositivo rotante (rotazione di 360 gradi) che sembra essere molto conveniente rispetto ai costi sperimentali come discusso nel seguito.
In figura 7 sono mostrati i risultati della prova di scalabilità. L'infrastruttura HPC fornita da CINECA è una macchina x86_64 denominata PLX che è completamente descritta all'interno del sito web CINECA [5].
Conclusioni e prospettive per le PMI
Secondo le informazioni fornite da Thesan, i costi affrontati per sviluppare il primo prototipo fisico e per eseguire la campagna di misura sperimentale erano tra i 20 ei 30 mila di euro coinvolgendo gli ingegneri della ricerca e sviluppo di Thesan per circa 8 mesi. Inoltre, costruire ogni nuovo prototipo fisico per testare nuove configurazioni si stima di avere un costo di circa € 8000 e di dover coinvolgere l'attività del personale specializzato per altri 4 mesi circa. La prototipazione basata su analisi CFD effettuata sfruttando strumenti open-source su sistemi HPC permette una drastica riduzione di costi. Infatti, un’analisi completa di una nuova configurazione del dispositivo richiede circa 15-20 mila ore di calcolo (il cui costo si aggira sui 4000 euro) e solo 1 mese in termini di risorse specializzate per il l’ottenimento dei dati (qui l'interpretazione dei dati ed il processo decisionale rappresentano il principale collo di bottiglia).
Queste prospettive di investimento mirato all’utilizzo di strumenti tecnologicamente all’avanguardia, benché consolidati e robusti nei metodi, dovrebbero attrarre l’interesse anche di quelle PMI che, pur non avendo competenze interne di questo tipo, si trovano ad affrontare problemi che possono essere studiati con un altissimo ritorno nell’investimento grazie a queste tecniche.
In conclusione si può affermare che la progettazione integrata numerico-sperimentale può essere molto utile per ottenere una migliore comprensione dei problemi industriali rilevanti quando si prevede di definire un nuovo prototipo prodotto come mostrato in figura 8.
Grazie alle competenze specifiche di Thesan, il setup sperimentale è stato veramente efficace nel fornire dati dettagliati necessari per calibrare il modello. A partire da queste misure, tramite il modello CFD, e grazie alla sua intrinseca capacità di visualizzare facilmente nei dettagli e con una vasta gamma di metodi alternativi i risultati ottenuti, è stato possibile evidenziare la fluidodinamica nel prototipo visualizzando e quantificando la presenza di strutture coerenti e stabilmente presenti in certe configurazioni.
Lo studio in oggetto evidenzia pertanto una serie di vantaggi strategici ottenibili integrando misure e modelli virtuali che sono riassumibile in questo elenco:
- una drastica riduzione del tempo nel processo di progettazione del prototipo grazie soprattutto al largo uso di piattaforme HPC;
- una riduzione dei costi rilevanti principalmente grazie all'uso di strumenti open-source come OpenFOAM;
- una visualizzazione ricca di dettaglio e semplice da ottenere della fluidodinamica presente;
- una quantificazione ripetibile di indici necessari a caratterizzare la fluidodinamica ed utili per pianificare una migliore progettazione di nuovi prototipi fisici.
Per tutti questi motivi, in futuro, i risultati ottenuti nel presente documento saranno utilizzati da Thesan per progettare una versione migliorata del dispositivo prototipo.
Riferimenti bibliografici e link
- SHAPE: http://www.prace-project.eu/shape
- Thesan srl: http://www.thesan.com/it/
- CINECA: http://www.cineca.it
- OpenFOAM: http://www.openfoam.com/
- PLX: http://www.hpc.cineca.it/hardware/ibm-plx
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dal progetto PRACE finanziato in parte dal programma quadro EG 7 (FP7/2007-2013) in convenzione di sovvenzione n. RI-312763. Gli autori sono altresì grati all’Ing. Roberto Pieri di SCS Italy per i preziosi suggerimenti nello sviluppo del modello CFD con OpenFOAM.