Analisi CFD per la caratterizzazione idraulica multidirezionale di strutture a Giroide = CFD Analysis for the Multidirectional Hydraulic Characterization of Gyroid Structures

Le Triply Periodic minimal surfaces (TPMS), particolari strutture geometriche di crescente interesse scientifico, combinano un’elevata area specifica e buona permeabilità, caratteristiche che le rendono promettenti come riempimenti porosi strutturati in vari settori ingegneristici. Una delle applicazioni in cui le loro proprietà geometriche risultano particolarmente vantaggiose è quella degli scambiatori di calore ad alta intensità, ad esempio, per il settore nucleare. Tra loro, la Giroide rappresenta una delle opzioni più studiate a causa della sua versatilità e relativa fabbricabilità per mezzo di tecnologie additive. Questo studio di tesi punta a colmare una lacuna presente in letteratura riguardante il comportamento idraulico anisotropico di tale geometria, finora infatti, si sono indagate le loro proprietà idrauliche assumendo un’incidenza normale del flusso su una delle facce del dominio geometrico. Questo lavoro propone un’analisi sistematica al variare della direzione di incidenza, evidenziando come ciò alteri l’impedenza idraulica della struttura. La geometria in indagine è stata ottenuta isolando una cella unitaria della Giroide, scalata sulla dimensione in esame e sulla porosità richiesta. Successivamente si è costruita su di essa una mesh sottoposta a verifica di indipendenza così da selezionare un livello di riferimento coerente con accuratezza e costo computazionale. Le simulazioni fluidodinamiche sono state poi condotte per mezzo del software OpenFOAM, in condizioni di stazionarietà e flusso incomprimibile. Si è limitata l’indagine al solo regime laminare analizzando più configurazioni di porosità per delineare la relazione tra struttura e prestazioni di flusso. Per esplorare l’orientazione come variabile indipendente si è adottata una metodologia a due fasi: in primis una rotazione planare del vettore velocità atta a cogliere simmetrie e quindi ridurre l’intervallo di campionatura senza perdere risultati significativi; poi un’estensione spaziale in cui la direzione di deflusso è stata espressa in coordinate sferiche e campionata per mezzo di una griglia a passo non uniforme sulla sfera, cosi da assicurare una copertura omogenea delle direzioni possibili senza introdurre fenomeni di ridondanza che avrebbero incrementato inutilmente i tempi computazionali. Lo studio qui proposto può quindi costituire una base metodologica su cui innestare analisi successive, ad esempio di stampo termico o a regimi fluidodinamici turbolenti, mantenendo l’attenzione sugli effetti di un flusso arbitrariamente orientato rispetto al reticolo.