Negli ultimi 30 anni si è osservato un significativo aumento nella potenza meccanica convertita dalle turbine eoliche, e conseguentemente nella dimensione dei rotori. Il costante aumento delle dimensioni dei rotori, giustificato dal minore costo per kWh prodotto, porta con sé una serie di effetti indesiderati di tipo aeroelastico, causati dall'interazione tra carico aerodinamico, flessione elastica e dinamica inerziale. Questi possono causare pericolosi problemi di instabilità aeroelastica e vibratoria. Risulta dunque cruciale investigare il fenomeno aeroelastico in termini di FSI (Fluid-Structure Interaction) utilizzando moderni strumenti software, per progettare con rapidità, affidabilità e spese contenute la prossima generazione di turbine eoliche.
Con il presente progetto di ricerca si intende indagare il panorama di modelli fisici e numerici per analisi FSI agli elementi finiti applicati alle macchine a fluido, con particolare attenzione alle turbine eoliche, e costituire un software CAE (Computer Aided Engineering) di analisi e di simulazione che si inserirà nei processi di design, virtual prototyping e diagnostica delle turbine eoliche.
Nel problema FSI si osserva una mutua dipendenza tra parti fluide e parti strutturali: la risoluzione del problema aeroelastico combina le soluzioni dei problemi fluido e strutturale. Il progetto prevede la combinazione delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) e FEM (Finite Elements Method) per la risoluzione numerica del problema accoppiato.
I modelli numerici approfonditi permetteranno di eseguire analisi statiche e dinamiche su campi fluidi e su strutture metalliche o composite.
Il software sviluppato si dimostrerà uno strumento essenziale per il virtual prototyping, il design e la diagnostica delle macchine a fluido, grazie al quale sarà possibile ottenere informazioni dettagliate circa il campo fluidodinamico attorno a profili delle pale e circa la distribuzione degli sforzi sulla struttura.
La ricerca proposta si impone con la sua innovatività in una duplice forma: si prevede un avanzamento della conoscenza nel panorama della modellistica matematica e fisica per i problemi di interazione fluido struttura, e si intende fornire uno strumento completamente flessibile e modulare, da utilizzarsi come base per ulteriori ricerche legate al metodo degli elementi finiti e delle simulazioni per il virtual prototyping applicate alle macchine a fluido.
Nonostante il metodo agli elementi finiti sia una tecnica matematica ben consolidata e ad uno stadio avanzato, rimangono possibili una serie di miglioramenti legati alle tecniche di convergenza, per migliorare la stabilità del processo di soluzione delle equazioni approssimate dal metodo FEM. Nel corso dei periodi all'estero si prevede la produzione di nuova letteratura legata alle teorie dell'analisi numerica nel tema dell'analisi FEM, e in seguito alla realizzazione del software obiettivo del progetto, lo stesso software verrà utilizzato come fondamenta per nuovi tentativi di miglioramento delle tecniche di simulazione strutturale e CFD da parte del proponente. Il progetto si propone il fine ultimo di costruire un software che sia non solo uno strumento di analisi, ma anche un banco di prova per future innovazioni e implementazioni di nuovi modelli fisici o tecniche informatiche.
Dal momento che la risoluzione dei problemi FSI in Italia rimane ancora una tematica di nicchia e relativamente poco considerata nonostante la sua importanza a causa del vasto campo di applicazione, la produzione di letteratura in ambito nazionale è ancora ridotta in volume, e i gruppi di ricerca (ad esempio quello dell'università di Roma La Sapienza, e quello dell'università degli studi di Pavia) sono ancora giovani. L'esito positivo del progetto di ricerca di certo riuscirà a alimentare il filone nazionale della tematica dell'analisi FSI, fornendo nuovi spunti ai ricercatori impegnati e un nuovo strumento per portare avanti le proprie ricerche.
Le prospettive di innovatività del progetto rimangono fortemente legate al raggiungimento dell'obiettivo di produzione del software: un software disponibile a livello accademico su cui gli utenti-ricercatori possiedono il completo controllo delle parti e delle funzionalità, permetterebbe al gruppo di ricerca del proponente di approcciare le tematiche FSI con una maggiore rapidità e efficienza, e di poter sfruttare il software per ricerche che non necessariamente hanno a che fare con lo sviluppo di metodi e algoritmi per l'analisi numerica applicata. A titolo di esempio, si possono nominare le ricerche in corso sulla previsione di fenomeni di erosione sulle macchine a fluido causati dal moto di particelle che collidono con le pale della macchina, o gli studi sui processi di formazione di strati di ghiaccio sulle turbine eoliche, e di esplorare le possibilità legate alla produzione di piccole o grandi macchine con materiali plastici propri della stampa 3D, tipicamente flessibili e conseguentemente molto soggetti a interazione di tipo FSI. Nella specifica applicazione delle turbine eoliche di grandi dimensioni, lo strumento permetterebbe di approfondire le problematiche associate ai fenomeni di instabilità vibratoria e al fluttering, che sono cominciati ad emergere solo successivamente alla crescita delle dimensioni delle pale.
È altrettanto doveroso sottolineare che l'utilizzo di un software affidabile per il quale è possibile determinare il formato del dato di output permette interessanti risvolti nel campo del machine-learning e delle reti neurali, in un doppio senso: da un lato, rende possibile l'uso del grande quantitativo di dati già esistente per rendere appetibile il tentativo di applicazione di queste tecniche di ottimizzazione per prevedere le relazioni costitutive dei materiali senza la necessità di eseguire prove sperimentali, dall'altro rende possibile l'applicazione di una rete neurale per l'ottimizzazione delle future simulazioni grazie al grande quantitativo di dati prodotto dallo stesso software.
L'avanzamento sperato non andrà a coinvolgere esclusivamente i processi di prototipazione di prodotti legati alle macchine a fluido: lo stesso software potrà essere utilizzato quasi senza necessità di modifiche anche in altri campi della ricerca: analisi FSI possono essere eseguite in ambito medico (si pensi all'interazione tra il sistema vascolare e il flusso sanguigno), in campo aerospaziale (per la progettazione delle ali dei velivoli o per l'ottimizzazione del design dei paracadute) e in ambito zoologico (in relazione alla modellazione del volo battente di volatili e insetti). Il campo di applicabilità del software prodotto è esteso tanto quanto è estesa la realtà che vede fenomeni di interazione fluido struttura di entità rilevante, accompagnati da fenomeni vibratori.