A CFD's modeling of a screen considering as a porous media

The possibility of using a CFD simulation to solve a real case could be very interesting for predicting the behaviour of the wind in proximity of some structure. In particular in case in which it isn't possible to test the real case in a wind tunnel. In this discussion will be treated the modellation of a screen using OpenFoam, since the screen are fundamental in some applications. An innovative application is to place before of facades of buildings a grid. The grid is positioned in front of facades in order to produce a pressure drop and consequently to reduce the aerodynamic stress on the building. At the same way the aerodynamic forces are partially transferred to the grid's supporter, which means a lower required overextimation of stress and strain on the buildings. In terms of cost the full structure will be certanly cheaper. The positioning of these types of grid isn't strictly in front of facedes of buildings. There are a lot of fields of application in which could be usefull its positioning in particular in places where the strong wind is a fundamental variable of engineering design. This type of screens are used also in wind tunnel in order to change the flow direction. The scope of this Thesis is coding a new CFD's solver on OpenFoam which will model all types of screens, starting from an existing one: porousSimpleFoam. Actually pourosSimpleFoam is used to model porous media, for example the phenomena of water penetration into the ground or to simulate some material with porosity proprietes as gauzes. It's avaiable a wide range of different algebraic models within OpenFoam, which are used to model the added source term of Navier-Stokes equations. In this case Darcy-Forchheimer model is used as starting point. The current Darcy-Forchheimer model is 3D and evaluates only the stress on the principal axis of inertia. Obviously when the wind pass through the grid it's necessary to take account of the components of velocity out of principal axis of inertia, for this reason the Darcy-Forchheimer matrices (F and D) won't be diagonal. The values of matrices terms are obtained in two ways : Openfoam simulations of flow through screens ( semplified or modelled on CAD) or from experimentally measured forces in wind tunnel. The advatage of modelling a flow through a grid with a solver ,that just incorporate the porosity effects of the grid, is principally the lower computational cost. In fact real case the screens could be of the size of buildings, which means that the requested cells to generate a mesh is very huge. If it's not necessary to model a grid, the amount of cells used will be very smaller with respect to a case in which it's necessary a modellation of the grid. In the end the solver will be validate with a comparison of the obtained results, both experimental and from CFD simulations. And finally the model is tested on a real case, a building, in order to compare the two results : with the physical grid and the new solver.

La possibilità di utilizzare una simulazione CFD per risolvere un caso reale potrebbe essere interessante al fine di predire il comportamento del vento attorno a strutture. In particolare nei casi in cui non è possibile testare il caso reale in galleria del vento. In questa trattazione verrà spiegato come poter modelare una griglia utilizzando OpenFoam, poichè le griglie hanno un importante ruolo in molte applicazioni. Una delle applicazioni piu innovative è posizionare una griglia davanti alle facciate di edifici. La griglia è posizionata davanti alle facciate di edifici al fine di produrre una caduta di pressione e di conseguenza ridurre gli sforzi sull'edificio. Allo stesso modo le forze aerodinamiche sono trasferite parzialmente ai supporti della griglia, il che comporta una minor sovrastima di sforzi e deformazioni sull'edificio. In termini di costi l'intera strutture avrà un costo minore. Il posizionamento di questi tipi di griglie non è strettamente davanti a facciate di edifici. Ci sono parecchi campi di applicazione in cui potrebbe essere utile il loro posizionamento, in particolare dove il vento forte è una variabile fondamentale della progettazione. Questo tipo di griglia viene anche utilizzato in galleria del vento per cambiare la direzione del flusso. Lo scopo di questa Tesi è programmare un nuovo solutore CFD in OpenFoam, partendo da un solutore già esistente : porousSimpleFoam. Attualmente porousSimpleFoam è utilizzato per modellare mezzi porosi, come per esempio il fenomeno di penetrazione dell'acqua all'interno del del terreno oppure per simulare alcuni materiali con proprietà porose come garze. E' disponibile un vasta gamma di modelli algebrici all'interno di OpenFoam, i quali sono utilizzati per modellare il termine sorgente aggiuntivo delle equazioni di Navier-Stokes. In questo caso il modello algebrico usato come punto di partenza è Darcy - Forchheimer. Il modello di Darcy - Forchheimer attuale è 3D e valuta solamente gli sforzi sugli assi di inerzia principali. Ovviamente quando il vento attraversa la griglia sarà necessario tener conto delle componenti di velocità al degli essi di inerzia principali , per questa ragione le matrici (F e D) del modello di Darcy - Forchheimer non saranno diagonali. I valori dei termini delle matrici sono ottenuti in due modi : simulazioni OpenFoam di flussi attraverso griglie (semplificate o modellate su CAD) o dalle forze misurate sperimentalmente in galleria del vento. Il vantaggio di modellare un flusso attraverso una griglia con un solutore, che ha già incoporato al suo interno gli effetti di porosità della grglia, è principalmente il minor costo computazionale. Infatti in casi reali le griglie potrebbero avere le stesse dimensioni dell'edificio, il che comporta un'enorme quantità di celle necessaria a generare la mesh. Se non fosse necessario modellare la griglia, la quantità di celle utilizzate sarebe sicuramente minore rispetto al caso in cui dovrebbe modellare anche la griglia. Infine il solutore verrà validato tramite una comparazione dei risultati ottenuti, sia sperimentalmente che tramite simulazioni CFD. Per concludere il modello sarà testato su un caso reale, un edificio, al fine di confrontare i due risultati : con la griglia fisicamente presente e con il nuovo solutore.