Le moyen le plus rapide de refroidir un hot-dog : étude de simulation de flux SOLIDWORKS
Avez-vous déjà cuisiné un hot-dog et vous êtes-vous brûlé la bouche faute d'attendre ? Moi, oui, et je me suis alors demandé : « Comment orienter un hot-dog pour qu'il refroidisse le plus vite ? La Journée nationale du hot-dog a lieu le 20 juillet, alors autant trouver la solution. Il existe trois méthodes pour obtenir ce type de résultats :
- Utiliser une formule établie
- Expérimentation
- Simulation
La meilleure méthode dépend de votre situation. Cet article explique commentSimulation SOLIDWORKSest une solution viable pour gérer le transfert de chaleur entre un solide et un fluide. Ici, le hot-dog est un analogue pour d'autres corps solides où la convection est une méthode essentielle de transfert de chaleur. Il peut s'avérer un outil puissant pour fournir des résultats et des orientations, même lorsque les solutions analytiques acceptées peuvent être erronées.
J'ai commencé par modéliser un cylindre simple aux extrémités arrondies et j'ai mené une étude mesurant la température moyenne du corps pendant son refroidissement pendant 15 secondes. J'ai configuré cette étude pour qu'elle s'exécute selon deux orientations (voir ci-dessous).
J'ai créé un matériau personnalisé avec des propriétés thermiques trouvé sur Internet pour la viande de hot-dog. Bien que cela fonctionne pour l'analyse de hot-dogs, vous pouvez utiliser SOLIDWORKS Flow Simulation pour obtenir des résultats similaires, voire meilleurs, pour une multitude de problèmes de refroidissement.
Figure 1 : Orientations du hot-dog droit et du vecteur gravité
J'ai ensuite modélisé un deuxième hot-dog légèrement courbé pour simuler la forme de nombreux hot-dogs après cuisson. J'ai fait l'étude sur les hot-dogs courbés selon les orientations indiquées ci-dessous. J'ai indiqué la direction de l'attraction gravitationnelle sur les deux figures, car elle joue un rôle crucial dans le comportement des fluides lors de la convection naturelle.
Figure 2 : Orientations du hot-dog courbé et vecteur de gravité
Un bref aperçu de la convection naturelle
En général, la convection naturelle est un mode de transfert de chaleur où un corps solide est en contact avec un fluide de température différente. Le corps solide modifie la température du fluide avec lequel il entre en contact, ce qui entraîne un changement de volume. Ce changement de volume modifie la densité, ce qui entraîne une modification de la flottabilité du fluide, qui peut alors couler ou monter.
Ici, on observe un corps solide (le hot-dog) plus chaud que le fluide (l'air) qui l'entoure. Ce changement de température provoque la surchauffe et la dilatation de l'air autour du hot-dog, ce qui diminue sa densité et crée une poussée d'Archimède. Cet air chaud et flottant s'élève, faisant monter l'air froid pour le remplacer. L'air froid se réchauffe et le cycle continue. Espérons que le GIF ci-contre puisse vous aider.
Figure 3 : GIF illustrant la convection étape par étape. En réalité, les deux phénomènes se produisent simultanément.
Utilisation de solutions non simulées
Nous avions deux méthodes de résolution sans simulation pour trouver la meilleure orientation.
La première méthode consistait à utiliser des formules existantes et établies (empiriques ou analytiques) pour calculer la réponse. À partir de ces formules, vous pouvez générer des réponses rapides et presque gratuites, mais elles pourraient ne pas répondre à certaines spécificités de votre problème.
La deuxième était l'expérimentation. L'expérimentation peut vous apporter des solutions précises à votre problème spécifique, mais elle entraîne des coûts financiers et de temps élevés, surtout lorsqu'on envisage plusieurs versions et prototypes.
Alerte divulgâcheur : Résultats des formules et expérimentations
En bref, j'ai utilisé les formules standard en transfert thermique (nombre de Prandtl, nombre de Rayleigh, nombre de Nusselt, etc.) pour déterminer l'orientation la plus appropriée. La réponse :
Le hot-dog vertical avait un taux de transfert de chaleur par convection plus élevé (c'est-à-dire qu'il refroidissait plus vite que le hot-dog horizontal). Confiant dans ma réponse (en partie parce qu'elle correspondait à mon instinct), j'ai examiné les résultats d'une expérience physique réalisée dans un laboratoire universitaire.
L'expérience a donné un résultat différent ; il n'y avait aucune différence mesurée dans les temps de refroidissement totaux. J'ai vérifié mes calculs sans succès ; j'ai eu les mêmes réponses qu'avant. Les formules standards établies prédisaient un résultat, et une expérience l'a réfuté.
Entrez dans SOLIDWORKS Flow Simulation
Dans bien des cas, les formules établies suffisent. Mais pas dans ce cas. La raison est (sans vouloir être trop réducteur) que les fluides sont complexes. Des effets 3D et des cylindres non idéaux ont permis aux tourbillons de faire descendre de l'air frais de manière répétée sur le hot-dog et d'augmenter la vitesse de refroidissement, comme illustré ici.
Un autre avantage important de la simulation par rapport à l'utilisation de formules ou à l'expérimentation est la possibilité de tester rapidement d'autres formes non idéales. Les hot-dogs ont tendance à se courber à la cuisson, ce que les formules empiriques et analytiques ne permettent pas de gérer. De plus, le temps et les coûts financiers deviennent préoccupants lorsque plusieurs expériences doivent être menées.
SOLIDWORKS Flow Simulation a pu exécuter cinq études. Nous n'avons de formules de transfert de chaleur que pour deux des cinq orientations. Lors de la répétition de la simulation pour les autres formes, j'ai simplement copié les paramètres de la première étude et lancé l'exécution.
Les résultats de la simulation sont présentés ici.
J'ai mis en évidence l'orientation et la forme qui ont refroidi le plus rapidement. Après seulement 20 secondes, la température moyenne des trois hot-dogs orientés horizontalement était environ -6 °C inférieure à celle de l'orientation verticale.
Figure 5 : Visualisation de l'écoulement dans le meilleur cas d'orientation d'un hot-dog. Les courbes de température illustrent le comportement asymétrique de la convection une fois l'écoulement pleinement développé et les tourbillons clairement visibles.
Résultats de la visualisation du flux
Figure 6 : Visualisation de l'écoulement d'un hot-dog incliné vers le haut. Les courbes de température illustrent le comportement asymétrique de la convection une fois l'écoulement pleinement développé.
Figure 7 : Visualisation de l'écoulement d'un hot-dog en orientation horizontale droite. Les courbes de température illustrent le comportement asymétrique de la convection une fois l'écoulement pleinement développé.
Résultats de la visualisation de flux SOLIDWORKS
La température de surface des hot-dogs après 15 secondes de refroidissement est indiquée ci-dessous. Dans les deux cas, la partie la plus froide du hot-dog est la partie la plus basse, exposée à plusieurs reprises à l'air plus frais, l'air chaud remontant par convection naturelle.
Figure 8 : Température de surface du hot-dog droit après 15 secondes de refroidissement
Nous présentons aussi les orientations du hot-dog courbé, avec les courbes de température de surface ci-dessous. La distribution asymétrique de la température sur le hot-dog horizontal est particulièrement intéressante.
Figure 9 : Courbes de température de surface sur des hot-dogs pliés selon les orientations testées. On notera en particulier les asymétries des températures de surface selon les orientations horizontales.
Conclusion
Parmi les solutions à ce type de problème de transfert thermique, SOLIDWORKS Flow Simulation m'a permis de tester non seulement les deux orientations de la question initiale, mais aussi plusieurs autres, facilement et rapidement. Les formules utilisées en transfert thermique constituent un bon point de départ, mais il est clair que les informations qu'elles nous fournissent sont insuffisantes et que les résultats dépendent largement d'hypothèses sur le corps et l'écoulement, qui peuvent être erronées. Bien que garantissant des résultats concrets, l'expérimentation peut être coûteuse et chronophage.
Simulation SOLIDWORKSnous permet d'essayer plusieurs conceptions successivement et d'identifier un meilleur point de départ pour le prototypage et l'expérimentation.
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À propos de Andrew Smith
Andrew Smith est ingénieur d'application et spécialiste en simulation chez GoEngineer. Andrew a obtenu son baccalauréat en génie mécanique et aérospatial ainsi que sa maîtrise en génie mécanique à l'Université d'État de l'Utah, où il a rédigé sa thèse sur l'aérodynamique du baseball et a découvert le phénomène Seam-Shifted-Wake. Il est passionné par le génie, la dynamique des fluides et la simulation, et adore aider les autres à trouver la meilleure solution d'ingénierie à leur problème. Lorsqu'il ne travaille pas, Andrew peut être trouvé en train de lire près des falaises ou de faire du vélo de montagne avec sa famille.
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