À quoi sert SOLIDWORKS Flow Simulation ? Cinq principaux cas d'utilisation

Simulation SOLIDWORKS est un outil polyvalent de dynamique des fluides numérique (CFD) directement intégré à SOLIDWORKS CAO 3DDans ce blogue, nous présenterons les cinq principaux scénarios d'écoulement des fluides. Ces cas d'utilisation illustrent comment la simulation d'écoulement peut répondre à vos questions de conception les plus complexes.

Thermique – Refroidissement électronique

Ce boîtier électronique sera traité comme un domaine interne. L'étude considérera le champ d'écoulement à l'intérieur du boîtier. Dans ce type d'étude, on considère les intrants et les extrants comme des conditions aux limites. Dans cet exemple, les conditions d'écoulement d'entrée sont définies par le flux d'air d'un ventilateur aspirant l'air ambiant extérieur. Le débit d'air est spécifié par une courbe de débit fournie par le fabricant.

Les sorties sont des plaques perforées ouvertes sur l'environnement. Un motif de fentes est présent en haut et en bas. Des motifs circulaires de trous sont également présents à l'extrémité opposée aux ventilateurs d'entrée. Ces plaques perforées sont des éléments d'étude idéalisés qui simplifient le problème et le résolvent plus rapidement.

Grâce au module complémentaire Refroidissement électronique, l'étude exploite une bibliothèque étendue de matériaux et de composants. Le générateur de circuits imprimés permet de saisir des couches de carte personnalisées afin de capturer plus précisément le transfert de chaleur conductrice à travers la carte. Les composants à deux résistances sont également utilisés pour simplifier la représentation des puces sur la carte.

Une fois les entrées définies, on peut maintenant laisser le solveur travailler avec un maillage automatisé. La convergence des solutions aux emplacements critiques repose sur des paramètres spécifiés par l'utilisateur, appelés objectifs, afin de déterminer des températures et des vitesses précises. Notez que le tracé de contour ci-dessous montre le gradient de température sur le champ d'écoulement avec les vecteurs de vitesse superposés.

Finalement, les tracés de trajectoire d'écoulement permettent de visualiser les tendances générales du champ d'écoulement. Cela permet de comprendre les zones d'écoulement stagnant ou celles où la température de l'air devient trop élevée.

Transfert de chaleur thermique et conjugué

SOLIDWORKS Flow Simulation offre tellement de fonctionnalités thermiques qu'il mérite d'être mentionné à deux endroits dans cette liste. Ce cas d'utilisation met en évidence la possibilité de prendre en compte deux domaines. Cet échangeur de chaleur diphasique possède un domaine interne d'eau et un domaine externe d'air, avec une direction de vecteur de vitesse prescrite pour renforcer la convection forcée. Flow Simulation calculera les performances de refroidissement de l'échangeur de chaleur en combinant conduction et convection.

Outre la vitesse de l'air extérieur, la configuration est finalisée par la définition d'un débit d'eau à l'entrée et d'une pression ambiante à la sortie. L'étude est ensuite acheminée au solveur pour un calcul rapide des conditions thermiques.

Les résultats montrent la quantité de refroidissement par conduction sur un tracé de surface de corps solide (ci-dessous) et la température interne de l'eau (ci-dessus).

Le graphique du flux thermique illustre le transfert d'énergie thermique entre les corps solides et les domaines. Cet exemple compare le transfert de chaleur entre les corps solides et le domaine hydrique, ainsi que l'air extérieur. Comme prévu, les plaques proches de l'entrée et de la sortie perdent légèrement plus de chaleur vers l'air extérieur, car le flux est plus chaud à son entrée dans le réseau de plaques de refroidissement.

Dans une étude transitoire, les résultats sont observables en temps réel. Cela permet au concepteur de répondre à la question « Combien de temps faut-il à mon système pour atteindre un état stable ? » et de visualiser l'évolution du champ d'écoulement.

La solution transitoire permet aussi à l'utilisateur de suivre les données au fil du temps. Voici un graphique XY illustrant la tendance du refroidissement et la rapidité de la transition vers une température stable à la sortie.

Lors de l'itération de la conception, il serait facile de déterminer l'effet des différents débits d'eau ou vitesses d'air extérieur. Grâce à l'intégration directe au modèle SOLIDWORKS, comprendre l'effet de l'ajout de plaques de refroidissement supplémentaires au réseau serait également très simple.

Systèmes de tuyauterie – Écoulement de fluide à travers une vanne

SOLIDWORKS Flow Simulation peut gérer tous types d'écoulements internes dans des systèmes de tuyauterie, notamment des vannes, des collecteurs, des pompes, des turbines, etc. Le logiciel prend en charge tout système transportant des fluides. Cet exemple est un scénario simple où le débit est calculé à travers une vanne.

L'étude présente un débit spécifié à l'entrée et une condition de pression ambiante à la sortie. Le solveur générera un débit équivalent à la sortie afin de respecter les principes de conservation de l'énergie. S'il y avait plusieurs sorties, les débits de sortie seraient égaux au débit à l'entrée.

Avec la vanne légèrement ouverte, un écoulement à vitesse plus élevée est clairement observé autour de la petite ouverture, et l'écoulement devient très stagnant à l'arrière de la vanne comme prévu.

Flow Simulation peut aussi gérer des études paramétriques. Ces puissants outils de création de scénarios permettent aux utilisateurs de réaliser une étude hypothétique, d'optimiser vers un objectif unique ou même de mettre en place un plan d'expériences de grande envergure. Chacune de ces études paramétriques permet d'itérer le plan en fonction d'un ensemble de variables. Ces variables peuvent être des données numériques telles que les dimensions du plan, la pression ou le débit.

Cette étude sur les vannes sera répétée afin d'observer l'effet d'un ajustement progressif de l'ouverture de la valve en ajustant la distance d'accouplement contrôlant sa position. Les résultats montrent que lorsque la valve est ouverte d'environ 6,35 cm, la pression commence à augmenter à l'entrée. Au-delà, l'effet sur la pression d'entrée est négligeable.

Mélange de fluides – Zone rotative dans un réservoir de mélange

Cet exemple de mélange de fluides met en évidence quelques fonctions clés de Flow Simulation : les zones rotatives et le mélange de fluides. La fonction de zone rotative permet à l'utilisateur de spécifier une vitesse de rotation sur la turbine et de provoquer un effet tourbillonnaire dans le domaine fluide.

Le réservoir est initialement rempli d'eau, puis une entrée est prévue pour les produits chimiques concentrés. La solution transitoire, variable dans le temps, affiche les résultats en temps réel, permettant à l'utilisateur de déterminer la qualité du mélange des produits chimiques avec l'eau.

La région en rotation est spécifiée par rapport à un corps solide du modèle, et l'écoulement autour de la roue est calculé par rapport à la géométrie spécifiée. L'image ci-dessous présente le tracé du contour de vitesse à un moment donné.

Le résultat unique de ce type d'analyse de mélange est un tracé de concentration. Un tracé utile dans ce cas est une isosurface, qui crée une surface où la concentration de produits chimiques correspond à une certaine fraction volumique. Ici, le tourbillon est observable en demandant une isosurface où la fraction volumique de produits chimiques est de 1 %.

L'effet tourbillonnaire est aussi facilement visualisable en créant une animation de trajectoire d'écoulement pour montrer où, dans le domaine, les produits chimiques sont les plus concentrés et où ils sont répartis de manière plus uniforme. Les concepteurs pourraient par exemple choisir l'emplacement d'une sortie en fonction de ce type d'analyse.

Surface libre – Remplissage d'un carton

La fonctionnalité de surface libre calcule la couche limite entre deux fluides non miscibles (ici, l'eau et l'air). « Non miscible » signifie simplement qu'ils ne peuvent pas se mélanger. Nous savons intuitivement que l'air (gaz) et l'eau (liquide) ne formeront jamais une solution uniforme lorsqu'ils sont combinés. Ce type d'étude pourrait également prendre en compte deux liquides non miscibles, comme l'huile et l'eau.

La configuration de l'étude implique la définition d'une condition initiale. Dans ce cas, le bol doseur est défini comme rempli d'eau au pas de temps initial. La configuration initiale du modèle est avec la valve ouverte ; au démarrage du solveur, l'eau s'écoule dans le carton.

Grâce à la solution transitoire, le concepteur peut déterminer la durée d'ouverture de la valve nécessaire pour remplir le carton. En seulement une demi-seconde, le carton déborde et déborde.

Dans les études de surface libre, il est souvent essentiel de suivre l'amplitude de la force exercée sur les parois par les éclaboussures et les mouvements du fluide. Un objectif de surface permet de suivre cette information en temps réel. Ces renseignements peuvent servir à déterminer si le carton sera suffisamment résistant ou s'il risque de basculer.

Conclusion

Ce ne sont là que cinq des cas d'utilisation les plus courants pour Simulation SOLIDWORKS, mais il y en a bien d'autres !Contactez GoEngineerpour discuter de vos scénarios de simulation de fluides spécifiques. On peut trouver la solution idéale.

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