Dynamique des fluides numérique (CFD) : applications et solutions

La dynamique des fluides numérique, ou CFD, est essentielle à l'ingénierie moderne dans presque tous les secteurs. Pourquoi est-elle importante ? D'où vient-elle ? Sous quelles formes et où s'appliquent-elles ? Comment en tirer profit ? Cette brève introduction à la CFD répondra à ces questions.

Table des matières

• L'importance des fluides
• Dispositifs de mesure et de contrôle du débit
• souffleries
• Simulation virtuelle des champs d'écoulement
• Méthodes courantes de CFD
• Coût/bénéfice informatique
• Solutions de conseil en CFD
• Solutions CFD SOLIDWORKS
• Solutions CFD de la plateforme 3DEXPERIENCE
• Solutions CFD de bureau de Dassault Systèmes
• Conclusion

L'importance des fluides

L'humanité est constamment immergée dans des fluides. Ils nous gardent en vie de plusieurs façons, et ils sont essentiels aux machines dont nous dépendons au quotidien, pour presque tout faire. Ingénieriedemandesque nous comprenons le comportement de l'écoulement des fluides au mieux de nos capacités, et voici quelques raisons pour lesquelles.

Transport

• Flottant sur l'eau dans des contenants utilisés pour déplacer des matériaux (y compris d'autres fluides utiles).
• Se déplacer dans l'air, suspendu par portance aérodynamique, permet de voyager beaucoup plus directement et rapidement que par voie terrestre.

Gestion des ressources

• Diriger l'eau vers les régions qui ont besoin de cette ressource vitale.
• Détourner et retenir les eaux de crue pour assurer la protection et l’approvisionnement en eau municipale.
• Pompage des déchets vers les usines de traitement et extraction de l'eau purifiée pour réutilisation.

Procédés industriels

• Déplacer/mélanger des fluides pour créer des aliments et des produits utiles.
• Utiliser la puissance hydraulique et pneumatique des fluides pour effectuer un travail.
• Forcer les fluides à travers des membranes et des filtres pour les nettoyer.
• Brûler des fluides pour libérer de l’énergie et fournir de l’énergie.

Mesurer et visualiser les champs de flux

L'omniprésence des fluides rend essentielle la compréhension des champs d'écoulement. Déterminer leur évolution, la distribution des vitesses, les pressions et les forces générées sur les surfaces avec lesquelles ils interagissent, etc., est nécessaire pour les exploiter efficacement au quotidien. Il y a plusieurs façons d'y parvenir.

Dispositifs de mesure et de contrôle du débit

Les instruments scientifiques exploitent les propriétés physiques bien connues des fluides pour mesurer avec précision la vitesse et la pression. Ils sont nombreux ; voici quelques exemples :

• Débitmètres de vitesse et de volume
• Turbine
• Anémomètre (coupelle, hélice, fil chaud)
• Barrage
• manomètres
• manomètre à tube en U
• Sondes à tube de Pitot
• Transducteurs piézoélectriques

(Image reproduite avec l'aimable autorisation de sensiaglobal.com)

Débitmètre à turbine – Mesure du débit

(Institut d'études géologiques des États-Unis)

Régulateur de débit à encoche en V

(Image gracieuseté de studentpilotguide.co.uk)

Tube de Pitot pour avion – Appareil de mesure de la vitesse de l'air

souffleries

Principalement utilisées pour la recherche aérodynamique, les souffleries permettent une compréhension approfondie des forces exercées par l'écoulement de l'air sur et autour des profils aérodynamiques et des véhicules. En simulant les conditions d'écoulement de l'air et en intégrant des maquettes, elles permettent de quantifier les performances de grands véhicules dans un espace réduit. Les souffleries à basse et haute vitesse permettent de simuler les conditions rencontrées dans un large éventail de conditions d'exploitation, y compris le vol supersonique. De plus, la visualisation des trajectoires d'écoulement et des zones de stagnation est réalisée grâce à de la fumée introduite en amont du véhicule ou à de petites bandes de matériau flexibles fixées à sa surface.

Une première version de cet appareil, construite vers 1901 par les frères Wright, a été utilisée dans leur atelier de vélo de Dayton, dans l'Ohio. Elle a joué un rôle déterminant dans le développement de coefficients de portance et de traînée précis, lorsque les données aérodynamiques existantes ne concordaient pas avec leurs premières expériences sur les planeurs.Source: https://www.grc.nasa.gov/www/k 12/airplane/wrights/test1901.html)

L'une de ces installations (et probablement la plus avancée de l'histoire) est le Honda Automotive Laboratories of Ohio (HALO), récemment construit et doté d'un budget de 124 millions de dollars. Il comprend une soufflerie capable de générer une vitesse de vent simulée de 308 km/h au-dessus de véhicules grandeur nature !Source: https://hondanews.com/en-US/releases/honda-ouvre-une-nouvelle-soufflerie-de-classe-mondiale-dans-l-ohio)

Il est tout à fait approprié que deux des souffleries les plus importantes historiquement aient été développées à environ 65 milles l'une de l'autre.

Soufflerie NACA à grande échelle (vers 1938)Source: Musée national de l'air et de l'espace)

Simulation virtuelle des champs d'écoulement

Comme on pourrait s'y attendre, les méthodes de mesure physique peuvent être coûteuses à concevoir et à exploiter, et elles n'offrent qu'une information partielle sur l'ensemble du champ d'écoulement. Les appareils de mesure fournissent généralement des valeurs maximales ou minimales de pression ou de vitesse en un point. Les souffleries fournissent de bonnes informations sur les forces en jeu et permettent de visualiser l'écoulement, mais, sauf pour les modèles modernes, il est difficile de comprendre ce qui se passe en continu.

C'est pourquoi l'analyse numérique et le domaine de simulation appelé dynamique des fluides numérique (CFD) constituent une ressource précieuse pour ceux qui souhaitent comprendre pleinement les pressions, les forces, les vitesses et les débits dans un champ d'écoulement et optimiser la conception de produits en exploitant ces connaissances. L'amélioration constante des capacités de calcul a permis aux développeurs d'intégrer les équations d'ingénierie fondamentales décrivant l'écoulement des fluides dans des programmes de simulation CFD rapides et précis.

Les résultats CFD permettent de comparer virtuellement plusieurs idées de conception et d'examiner les compromis possibles. En faisant cela, le nombre de prototypes nécessaires pour obtenir une conception acceptable peut être considérablement réduit.

Méthodes courantes de CFD

Plusieurs méthodes CFD sont disponibles. Comme pour tout outil de simulation, il existe un compromis entre rapidité et précision, et certaines méthodes sont plus adaptées à certains types d'analyse. Deux méthodes courantes, le Volume Fini (VF) et le Boltzmann sur Réseau (LB), sont brièvement présentées ici. Des renseignements techniques supplémentaires sont disponibles via les liens fournis dans chaque section.

Méthode des volumes finis (FV)

Nommées d'après les deux scientifiques qui ont contribué à leur développement, les équations de Navier-Stokes décrivent l'équilibre de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement dans un champ d'écoulement. Dans la méthode FV, cet équilibre est calculé sur le domaine fluide, un ensemble de volumes de fluide rectangulaires (cellules) ou d'éléments. La méthode FV utilise une solution de Navier-Stokes moyennée par Reynolds (RANS). La solution converge quand leÉquations de Navier-Stokessont équilibrés dans toutes les cellules/éléments et dans l'ensemble du domaine fluide.

Un aspect important de toute simulation CFD est la prise en compte de la turbulence des fluides et de la représentation de la couche limite (écoulement à proximité des parois). La capture explicite de l'intégralité de la couche limite ne peut se faire que par simulation numérique directe (DNS), ce qui est coûteux en calcul. Les méthodes FV tiennent compte de la turbulence via les fonctions de paroi secondaires, par opposition à la modélisation directe de l'écoulement turbulent.

La méthode FV est particulièrement adaptée aux simulations thermiques transitoires en régime permanent et à basse fréquence, notamment celles impliquant le refroidissement électronique. Un pas de temps automatique ou défini par l'utilisateur est disponible. Certains programmes offrent même des représentations virtuelles de composants électroniques, permettant des prédictions efficaces et précises de la distribution de la température. Les applications bien gérées par cette méthode incluent également les solutions d'écoulement dans les conduites et les vannes. La fonctionnalité de maillage coulissant dans les régions rotatives permet de prédire les dispositifs de traitement des fluides tels que les ventilateurs, les turbines, les pompes et les turbocompresseurs.

Finalement, les simulations hydrologiques d'écoulement en canal ouvert dans les déversoirs et les ruptures de barrages peuvent être traitées efficacement grâce à une fonctionnalité supplémentaire appelée méthode du volume de fluide (VOF). Cet outil permet d'établir une interface de surface libre entre le liquide et le gaz en fonction des densités différentielles.

Webinaire sur la simulation GoEngineer : Simulation de flux SOLIDWORKS : comment l'outil CFD intégré à la CAO peut-il répondre à vos besoins d'analyse ?

Méthode de Boltzmann sur réseau (LB)

Alors que la méthode FV considère un ensemble de volumes de fluide subdivisés, la méthode Lattice-Boltzmann traite le champ d'écoulement comme un ensemble de particules groupées dans un arrangement en treillis. La géométrie est capturée avec un maillage ajusté au corps, ce qui permet de petits mouvements des corps étudiés. Les particules de fluide (nœuds) sur le treillis captent l'espace physique occupé par le champ d'écoulement. Leéquation de Boltzmann utilisé dans cette méthode représente une fonction de distribution qui détermine la probabilité qu'une particule existe à un moment et à un endroit spécifiques avec une quantité de mouvement donnée. Le résultat est que l'interaction microscopique des particules fluides est capturée à une échelle mésoscopique. Les quantités macroscopiques, telles que la densité, la quantité de mouvement, la contrainte de cisaillement, etc., sont calculées par intégration de la fonction de distribution. Les conditions d'écoulement moyennées dans le temps et dans l'espace qui en résultent satisfont les équations de Navier-Stokes mentionnées ci-dessus.

En ce qui concerne la turbulence, les méthodes LB utilisent une combinaison de capture directe de la couche limite turbulente dans le réseau jusqu'à un point à traverssimulations de grands tourbillons (LES). Aux endroits très proches du mur, ces méthodes passent également aux fonctions murales.

La méthode LB est parfaitement adaptée aux solutions transitoires. En effet, le problème est toujours résolu comme transitoire, la fonction de distribution de probabilité étant dépendante du temps et de la localisation. Ceci, combiné à une modélisation avancée de la turbulence et à la possibilité de capturer la couche limite avec plus de précision, rend cette méthode particulièrement adaptée aux simulations aérodynamiques externes.

Webinaire SIMULIA de Dassault Systèmes : Présentation de la CFD basée sur Lattice-Boltzmann pour l'aérodynamique externe

Coût/bénéfice informatique

Méthode FV– Solutions transitoires ou à régime stationnaire moyennées dans le temps. La création du maillage peut être longue en raison de la manière dont les cellules sont divisées en polygones pour définir la limite solide/fluide. Cependant, ces simulations peuvent être résolues relativement rapidement grâce à l'exigence relative au nombre global de cellules, relativement souple.

Méthode LB– Solutions toujours transitoires. LBM peut saisir les géométries en mouvement, la turbulence et la séparation des écoulements, mais cela implique des temps de résolution longs. Le comportement des écoulements à haute fréquence est capturé avec précision, ce qui est important pour l'analyse acoustique. Avec un effort supplémentaire minime de la part de l'analyste, la représentation du maillage de surface peut saisir les petits détails importants qui affectent l'écoulement.

Solutions de conseil en CFD

Conseil CFD GoEngineer

Ceux qui ne sont pas prêts à intégrer les logiciels, le matériel et le personnel CFD à l'interne peuvent toujours profiter de tous les avantages de la simulation de fluides (c'est-à-dire une itération de conception plus rapide, de meilleures performances du produit, moins de déchets de prototypage, etc.) en s'engageantServices-conseils en CFD.  L'équipe de simulation avancée de GoEngineer comprend des analystes CFD dévoués qui exploiteront de manière experte les derniers logiciels de simulation sur du matériel puissant en votre nom.  Nous sommes disponibles pour des travaux d'analyse à court et à long terme, la corrélation de tests, le développement de méthodologies CAE, et plus encore.  Nous nous engageons à fournir des résultats de qualité, dans les délais, avec une excellente communication du début à la fin.

Solutions CFD SOLIDWORKS

Simulation SOLIDWORKS

Simulation SOLIDWORKS propose une solution RANS FV adaptée aux calculs thermiques et transitoires de basse fréquence généraux, et intègre une routine de maillage cartésien. Aux interfaces solides, les cellules sont subdivisées pour créer des polygones complexes. Comme elle fonctionne directement dans l'interface SOLIDWORKS, il est possible d'exploiter la géométrie CAO pour réaliser facilement des études paramétriques, notamment des simulations hypothétiques, l'optimisation des objectifs et les plans d'expériences (DOE). La modélisation de la turbulence est réalisée à l'aide de la méthode k-epsilon (énergie cinétique turbulente – dissipation turbulente), l'une des méthodes les plus couramment utilisées.(Source: https://www.cfd-online.com/Wiki/K-epsilon_models).

Plastiques SOLIDWORKS

Une solution de conception pour la fabrication permettant de vérifier la capacité des produits en plastique à être fabriqués à l'aide du processus de moulage par injection,Plastiques SOLIDWORKScontient deux solutions CFD RANS simultanées : l'écoulement du fluide non newtonien du plastique fondu dans le moule et l'écoulement du liquide de refroidissement dans les canaux de refroidissement avec des effets de transfert de chaleur. SOLIDWORKS Plastics fonctionne également directement avec la géométrie CAO, ce qui permet une grande flexibilité pour réaliser une exploration de conception approfondie. Tous les aspects du processus de moulage sont disponibles pour la simulation (remplissage, emballage, refroidissement), et il est possible d'approcher la forme déformée finale de la pièce après son éjection du moule et son refroidissement supplémentaire à température ambiante.

Solutions CFD de la plateforme 3DEXPERIENCE

FLUIDES 3DEXPÉRIENCE

FLUIDES 3DEXPÉRIENCEIngénieur en dynamique des fluidesest une solution RANS qui, comme SOLIDWORKS Flow Simulation, convient aux applications générales de transitoires et thermiques basse fréquence. Le maillage s'effectue en ajustant d'abord un maillage de surface aux corps solides, puis en remplissant le volume de fluide à dominante hexagonale, ce qui permet au programme de capturer avec précision les limites du solide et même de simuler de petits mouvements de corps – une pseudo-fonction d'interaction fluide-structure. Elle offre deux méthodes de modélisation de la turbulence supplémentaires par rapport à celles de SOLIDWORKS Flow Simulation, notamment la méthode Spalart-Allmaras, développée spécifiquement pour les applications de traînée aérodynamique.Source: https://turbmodels.larc.nasa.gov/spalart.html) et la méthode k-oméga (énergie cinétique turbulente – taux de dissipation turbulente).

PLASTIQUES 3DEXPÉRIENCE

Comme SOLIDWORKS Plastics,PLASTIQUES 3DEXPÉRIENCEIngénieur en injection de plastiquepermet aux concepteurs de pièces de vérifier la fabricabilité du moulage par injection tout en travaillant avec des conceptions sur le3DPlateforme EXPERIENCE. Elle propose un processus de configuration de simulation guidé pour simuler le moulage par injection complet de pièces en plastique et réduire les reprises de moule. Le solveur exploite les calculs RANS CFD pour représenter l'écoulement du plastique fondu et des fluides de refroidissement présents simultanément dans le processus. Pour la résolution des simulations, il intègre une capacité de calcul locale/nuage à 8 cœurs.

Solutions CFD de bureau de Dassault Systèmes

XFlow

XFlowUtilise une approche LBM pour obtenir une solution. Cette fonctionnalité facilite le suivi des surfaces en mouvement et, par conséquent, la gestion des applications où l'interaction fluide-structure est importante à capturer. XFlow prend actuellement en charge les simulations de lubrification des boîtes de vitesses pour capturer le flux d'huile vers les composants et déterminer l'emplacement des zones mouillées, un indicateur direct de l'efficacité de la lubrification.

PowerFLOW

Les simulations aérodynamiques et aéroacoustiques haut de gamme sont les domaines clés pris en charge parPowerFLOW,L'approche LBM permet aussi d'obtenir des solutions transitoires complexes. L'industrie du transport utilise largement PowerFLOW pour identifier des solutions de réduction de la traînée et du bruit en cabine. Grâce à cette technologie, les délais de conception des avions et des automobiles sont raccourcis et les prototypes coûteux sont réduits.

Conclusion

Notre capacité à comprendre la nature des fluides en écoulement ne cesse de croître, notamment dans les simulations virtuelles. De nombreuses techniques sont actuellement disponibles et il est possible d'adapter sa sélection en fonction de l'application concernée et du budget disponible. Quelle que soit la méthode choisie, GoEngineer possède l'expertise commerciale et technique nécessaire pour vous aider à choisir la meilleure solution.Contactez-nouspour plus d'infos !

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