Fluid Dynamics: Cos’è la pressione statica?

Per capire meglio cos’è la pressione statica, abbiamo prima bisogno di un po’ di background e chiarimenti su altri termini. Il termine “pressione” è ampiamente utilizzato per molte applicazioni nell’ambito della fluidodinamica e della termodinamica, dall’aerodinamica alla progettazione di impianti. Tuttavia, dobbiamo dedurre dal contesto se si sta parlando di pressione statica, totale o dinamica.

La maggior parte delle definizioni menzionate qui sono state prese dal libro Mechanics of Fluids di Merle C. Potter, David C. Wiggert, e Bassem H. Ramadan.

Considerazioni sulla pressione Considerazioni importanti prima di iniziare una simulazione di ingegneria eolica computazionale

In meccanica dei fluidi, la pressione è definita come una forza normale che agisce su una superficie. Matematicamente, la pressione p su un punto è definita come:

Le unità metriche usate per misurare la pressione sono i newton per metri quadrati (N/m²) o, più comunemente, i kilopascal (kPa). La pressione atmosferica al livello del mare, per esempio, è 101,3 kPa. Le unità inglesi per la pressione sono libbre per pollice quadrato (psi) o libbre per piede quadrato (psf).

Pressione dell’aria Simulazione della pressione assoluta

Proprio come la temperatura, la pressione può essere misurata da diverse scale, e ci sono anche scale assolute per entrambe le proprietà. In un vuoto ideale, la pressione assoluta raggiunge lo zero. In questo modo, non ci sono molecole nello spazio per esercitare pressione. Pertanto, è impossibile ottenere una pressione assoluta negativa.

Le cose diventano molto più complicate quando consideriamo le misure relative della pressione. C’è molta confusione quando si tratta della terminologia. È anche comune che diversi programmi software raccomandino l’interpretazione delle loro misure di pressione in modi contrastanti. Parleremo di come funziona con SimScale tra un po’.

Simulazione della pressione dell’aria Pressioni relative

Ci sono molte diverse misure di pressione relativa. Il primo e più comune esempio è chiamato pressione relativa, che si ottiene quando si misurano le pressioni relative alla pressione atmosferica. È anche comunemente chiamata pressione barometrica. Ne consegue quindi che una conversione dalla pressione relativa alla pressione assoluta si ottiene aggiungendola alla pressione atmosferica.

Esaminiamo ora altre misure di pressione che sono utilizzate nel campo della meccanica dei fluidi.

Pressione dell’aria Simulazione della pressione statica

Per illustrare cos’è la pressione totale, cominciamo a controllare la famosa equazione di Bernoulli:

che misura la differenza di velocità e pressione tra due punti in un flusso.

La pressione p in questa equazione è la pressione statica. Quando viene misurata rispetto alla pressione atmosferica, la pressione statica è la stessa della pressione relativa. Tuttavia, è possibile misurare la pressione statica con un vuoto come riferimento, in modo che il valore misurato sia uguale alla pressione assoluta.

La pressione statica è misurata quando il fluido è a riposo rispetto alla misura. Può essere misurata da un piezometro attaccato alla parete del tubo dove scorre il fluido.

Pressione dell’aria Simulazione della pressione dinamica

Si noti che quando si misura la pressione statica prima, non si considerano gli effetti della velocità. Se non trascuriamo questi effetti, ci sarà un aumento della pressione misurata. Questo aumento è chiamato pressione dinamica. La pressione dinamica è una funzione della velocità del fluido e della densità:

Simulazione della pressione dell’aria Pressione totale

La pressione totale, chiamata anche pressione di ristagno, si misura aggiungendo la pressione statica alla pressione dinamica:

La pressione totale si misura comunemente con un dispositivo chiamato tubo di pitot. Si possono vedere i tubi di pitot sugli aerei, per esempio, come piccoli fori o tubi metallici appesi nelle ali, come mostrato qui sotto:

La velocità all’interno del tubo di pitot è zero, rendendolo un punto di stagnazione. Un altro dispositivo, chiamato tubo di pitot-statico, può essere usato per misurare direttamente la pressione dinamica. Consiste fondamentalmente in un tubo di pitot con un’apertura per la pressione statica.

Per la maggior parte dei casi quotidiani, la pressione totale è molto vicina alla pressione statica. Questo accade perché la maggior parte dei sistemi sono progettati per garantire basse velocità del fluido, generalmente per evitare perdite di carico dovute all’attrito, che è proporzionale all’energia cinetica del fluido. In questi casi, la distinzione tra pressione totale e pressione statica potrebbe non essere rilevante.

Pressione statica in SimScale

Pressione statica su un ventilatore centrifugo – Analisi CFD eseguita con SimScaleFondamentalmente, quando simuliamo i flussi di fluido, stiamo usando le equazioni di Navier-Stokes. Ora, quando deriviamo le equazioni di Navier-Stokes per fluidi incomprimibili, il termine di pressione ha solo un significato matematico. Solo il gradiente di pressione, che è responsabile della guida del fluido, ha un significato fisico. In altre parole, le misure di pressione sono usate principalmente per la verifica della soluzione.

Seguendo questa logica, se cambiassimo le condizioni al contorno a pressione fissa della nostra simulazione sommando un valore costante, per esempio, il flusso risultante non sarebbe cambiato perché il gradiente di pressione sarebbe ancora lo stesso.

Più specificamente, per i flussi incomprimibili, SimScale usa la pressione specifica, che è definita normalizzando la pressione per la densità.

SimScale permette anche un ricco set di condizioni al contorno. Per ulteriori informazioni sull’impostazione e l’uso delle condizioni al contorno sulla piattaforma di simulazione basata su cloud di SimScale, potete fare riferimento a questa pagina della documentazione. Per le condizioni al contorno di ingresso della pressione, viene utilizzata la pressione totale, mentre per le uscite di pressione, viene utilizzata la pressione statica o relativa. Se volete saperne di più sulla piattaforma basata su cloud SimScale e le sue capacità, scaricate questa panoramica delle caratteristiche.

Per saperne di più sulla simulazione della pressione dell’aria, guardate questo blog.

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