DEM e SPH

Accanto all’esigenza di simulare la fisica del continuo (CFD, FEM, …), stanno aumentando le richieste di simulazioni nell’ambito della fisica del discreto, principalmente per quanto riguarda la meccanica granulare e/o la sua interazione con campi continui quali aria ed acqua. Si parla di DEM (Discrete Element Method) quando ogni singola particella, di forma e natura potenzialmente differenti le une dalle altre, viene seguita nel suo percorso. Le leggi di Newton ed Eulero vengono integrate nel tempo, così da calcolare, ad ogni istante temporale, forze e momenti agenti sulle singole particelle deducendone la velocità con cui si muovono nello spazio. Le tecniche impiegate scalano bene su più CPU in parallelo, ma si dovrebbe ricorrere a cluster di centinaia di core per studiare l’evoluzione di sistemi composti da qualche milione di particelle in tempi compatibili con le esigenze del Cliente. In questo senso è essenziale l’impiego di server di calcolo basati su GPU. DOFWARE si avvale di schede GPU dotate di migliaia di core, grazie alle quali riesce ad abbattere i tempi di calcolo di qualche ordine di grandezza.

Tra i principali codici utilizzati si cita il LIGGGHTS®, evoluzione granulare del consolidato LAMMPS (applicato allo studio della dinamica molecolare). LIGGGHTS® viene utilizzato sia in maniera a se stante sia in accoppiamento con OpenFOAM® (CFDEM®project) per studiare l’evoluzione di particelle solide all’interno di domini fluidi continui garantendone l’accoppiamento bidirezionale.

sloshingUn approccio di base simile a quello DEM è impiegato nella tecnica SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). La similarità tra la due è puramente formale, nel senso che entrambe risolvono il campo di moto in punti discreti. Nell’SPH però scopi ed implementazione fisico-numerica sono completamente diversi. Viene definita come una tecnica CFD meshless in quanto permette la risoluzione di campi di moto fluidi senza la necessità di impiegare le classiche griglie di discretizzazione di volume su cui la CFD standard si basa (approccio Euleriano). In alternativa le equazioni di Navier-Stokes vengono risolte su punti mobili rappresentati da particelle discrete che si muovono automaticamente secondo le caratteristiche del flusso simulato (approccio Lagrangiano).

Si tratta di una tecnica numerica che ha preso piede da pochi anni, ma che già vanta un maggior appeal rispetto alla CFD classica, soprattutto per quanto riguarda la simulazione di flussi multifase quale quelli aria-acqua (si pensi alla riproduzione di fenomeni ondosi, aquaplaning, ecc.), ossia di flussi nei quali c’è una netta separazione fra le fasi, con una interfaccia ben definita. I principali vantaggi si registrano in termini di sforzo computazionale:

  • rapido pre-processing, in quanto non è necessario costruire alcuna mesh di volume;
  • discretizzazione dei soli fluidi su cui si desidera concentrare l’attenzione;
  • capacità di gestire domini solidi dinamici senza inficiare la stabilità dei calcoli;
  • capacità di eseguire simulazioni non solo sulle architetture standard CPU, ma anche su architetture innovative GPU, con la conseguente drastica riduzione dei tempi di calcolo.



DOFWARE è impegnata nell’utilizzo della tecnica SPH principalmente per lo studio di flussi multifase: al momento vengono impiegati codici open-source, che permettono una facile customizzazione sulle necessità del Cliente.

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