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Motori a combustione: dal MIT il software che ottimizza la fluidodinamica

Arriva dall'America un software in grado di ottimizzare il design delle macchine fluidodinamiche, incluso il motore termico

Motori a combustione: dal MIT il software che ottimizza la fluidodinamica

Una team di ricerca del Massachusetts Institute of Technology, con il contributo di membri dell’Università del Winsconsin, dei LightSpeed Studios e del Dartmouth College, ha realizzato un software in grado potenzialmente di auto-progettare la camera di combustione di un motore termico. Il progetto in realtà è di più ampio respiro, essendo il nuovo strumento informatico concepito per ottimizzare sistemi fluidodinamici di qualsiasi natura, dai motori turbo-jet fino ai microchip di analisi del sangue, passando per i cuori artificiali impiantabili nei pazienti cardiopatici. Il software si differenzia dalle tecniche di ottimizzazione già diffuse sul mercato, consentendo di disegnare forme più complesse e migliorando le prestazioni dei macchinari in questione. Tra le tante possibili applicazioni, il MIT indica che anche i motori a combustione possono beneficiare di una simile tecnica progettuale. Al progetto hanno collaborato Yifei Li, laureata in ingegneria elettrica e computer science; Tao Du, professore associato alla Tsinghua University; Wojciech Matusij, professore di ingegneria elettrica e computer science.

Le tecniche di ottimizzazione sono note anche nel campo della progettazione di strutture solide. Il software analizza la distribuzione delle sollecitazioni nella struttura e rimuove il materiale là dove superfluo, dando vita a forme complesse e ottimizzate per raggiungere il compromesso ottimale tra leggerezza e resistenza. Analogamente, nel campo della fluidodinamica è possibile ottimizzare la forma di un condotto, un ugello, un diffusore o una camera di combustione in funzione dell’obiettivo desiderato nel comportamento del fluido. Le tecniche di ottimizzazione automatica a carico del software riducono al minimo le iterazioni manuali al progettista, evitando di dover simulare e correggere manualmente le forme dal momento che il processo è fortemente automatizzato.

Nel campo della fluidodinamica, le tecniche attualmente diffuse presentano però dei limiti, come ad esempio il ricorso ad una discretizzazione tridimensionale tramite elementi finiti cubici o la necessità di preimpostare una generica forma di partenza. Spiega Yfei Li: “Una volta che fai questa assunzione, tutto ciò che otterrai saranno variazioni nella stessa famiglia di forme. Il nostro sistema però non necessita di ipotesi simili, perché ha un elevato numero di gradi di libertà progettuali grazie alla discretizzazione del dominio in elementi finiti, piccoli e numerosi, ciascuno dei quali con una forma variabile. […] Adesso tutti questi passaggi possono essere fatti senza interruzioni lungo una catena computazionale. Potenzialmente, con il nostro sistema è possibile creare macchinari migliori grazie alla valutazione di nuove forme che non sono mai state studiate con i metodi manuali. Magari ci sono delle forme che non sono ancora state esplorate nemmeno dagli esperti”.

La tecnica di ottimizzazione del MIT si basa infatti su elementi finiti le cui superfici possono assumere inclinazioni differenti, con la possibilità di modellarne la forma in maniera accurata. Il tutto aumenta il grado di approssimazione e la complessità delle geometrie disegnate dal software. La novità più importante però riguarda l’anisotropia degli elementi stessi, con la possibilità di impostare proprietà differenti a seconda della direzione. Tale caratteristica consente una migliore modellazione delle superfici di interfaccia tra elementi, con una transizione lineare. Prosegue Yfei li: “Quando vai nella direzione del solido, vuoi modellare le proprietà del materiale solido. Quando però vai nella direzione del fluido, ne vuoi modellare il comportamento. Questo ci ha ispirato ad utilizzare materiali anisotropi per rappresentare l’interfaccia solido-fluido. Ci permette di modellare il comportamento di questa regione molto accuratamente”.

La tecnica di ottimizzazione del MIT prevede dunque la simulazione di una forma, che viene poi confrontata con gli obiettivi richiesti dal progettista e sulla base dei risultati ne apporta correzioni per poi ripeterne la simulazione. Il software è in grado di ottimizzare quasi quattro milioni di variabili, dando vita a forme complesse realizzabili poi con tecniche di additive manufacturing. Tra le prove condotte, l’algoritmo ha progettato autonomamente la forma del diffusore di un motore turbo-jet adottando un approccio anticonvenzionale, suddividendo la sezione di uscita in sedici sotto-elementi, riuscendo al contempo ad aggirare un ostacolo e riscontrando un comportamento migliore. Karl Willis, senior research manager presso Autodesk Research, ha così commentato la ricerca, pur non avendovi preso parte: “Questo lavoro contribuisce a risolvere il grande problema dell’automatizzare e ottimizzare il design delle macchine fluidodinamiche, che possono essere trovate ovunque. Ci porta un passo più vicini a strumenti di progettazione generativa che possano ridurre il numero di iterazioni manuali richieste al progettista e generare forme innovative che siano ottimizzate e più efficienti”. Non resta dunque che attendere per vedere se il software del MIT diventerà commerciale ed eventualmente se questo contribuirà a migliorare il rendimento del motore termico, generando nuove forme per la camera di combustione.

FP | Carlo Platella RIPRODUZIONE RISERVATA

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