Aujourd’hui, nous allons commencer une série de billets relatifs à la simulation numérique des fluides, CFD (Computational Fluid Dynamics), en abordant des concepts simples ou introductifs qui peuvent être facilement trouvés sur le web à des concepts plus complexes basés sur l’expérience acquise par l’ICEMM dans des projets réels.
Pour ceux qui n’ont pas encore eu de contact avec cette technologie, la CFD (Computational Fluid Dynamics) est la science qui prédit le comportement de l’écoulement des fluides, le transfert de chaleur et de masse, ainsi que les phénomènes liés aux réactions chimiques, …
Que peut-on tirer de l’analyse et des simulations CFD ?
Les simulations CFD permettent d’obtenir des informations détaillées sur toutes les propriétés qui composent l’écoulement du fluide :
- Distribution de la vitesse, de la pression, de la température, …
- Forces exercées sur les solides (véhicules, avions, bâtiments, …)
- Comportement des mélanges de fluides avec d’autres fluides ou solides
- Composition du transport des “espèces
Il convient également de noter que les simulations CFD sont utilisées dans toutes les phases de tout projet d’ingénierie nécessitant une connaissance approfondie du comportement du fluide, complétant ainsi les éventuels essais à réaliser et permettant par conséquent de réduire les coûts et les délais de développement.
Comment fonctionne une simulation CFD ?
Il existe actuellement deux schémas principaux, ceux basés sur la résolution des équations de Navier-Stokes (NS) et ceux basés sur la méthode de Boltzmann sur treillis (LBM).
Le premier est le schéma traditionnel, avec une longue histoire et une validation dans une multitude de problèmes de dynamique des fluides et de thermique. Il est utilisé par les principaux logiciels de CFD tels que Ansys Fluent, Star CCM+, MSC Cradle ou Acusolve. Il convient également de noter que les solutions des équations de Navier-Stokes peuvent être résolues en appliquant la technique des volumes finis (Ansys Fluent, Star CCM+ ou MSC Cradle) ou celle des éléments finis (Acusolve ou Comsol). Les avantages et les inconvénients d’une méthode par rapport à l’autre sont bien connus et seront discutés dans des publications ultérieures.
En ce qui concerne la méthode de Boltzmann sur réseau, il est important de souligner les avantages de son utilisation dans la phase de prétraitement, où la génération du volume d’étude est presque automatique quelle que soit la complexité de la géométrie, ainsi que dans le traitement de la turbulence et des processus transitoires, en particulier avec des géométries mobiles. Les principaux inconvénients de cette méthode sont actuellement les exigences de calcul, l’impossibilité d’évaluer efficacement les processus stationnaires et le manque de validation par rapport à la méthode basée sur Navier-Stokes.
A l’ICEMM, nous n’avons jusqu’à présent travaillé qu’avec la méthode basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes, c’est pourquoi toute la documentation publiée à partir de maintenant fera référence à cette méthode.
Résolution des équations de Navier-Stokes
Le fonctionnement d’une simulation CFD basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes peut être résumé par les étapes suivantes :
- Discrétion du domaine à étudier en un nombre fini de volumes ou de cellules de contrôle.
- Résolution des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement, de l’énergie, des espèces, … dans l’ensemble des volumes de contrôle
- Discrétisation des équations aux dérivées partielles dans un système d’équations algébriques et leur résolution
L’application des étapes ci-dessus à la résolution de toute simulation CFD peut être résumée selon le schéma suivant, qui s’applique à tous les logiciels CFD actuellement utilisés :
Les prochains articles seront consacrés à l’explication de la manière dont nous appliquons le schéma ci-dessus à différents types de problèmes avec les logiciels Acusolve et FDS. Les articles qui seront publiés dans le blog de notre site web et dans la zone de téléchargement seront les suivants :
- Introduction à la simulation CFD
- 1_1_Acusolve_Workflow – Tutoriel de base – Interfaz (Acusolve)
- 1_2_Vortex_Shedding – Análisis Transitorio (Acusolve)
- 1_3_Fire_in_Garage – Análisis Multifase (FDS)
- 1_4_Appareil_de_refroidissement – Analyse avec couche limite (Acusolve)
- 1_5_Backward_Step – Analyse des turbulences (Acusolve)
- 1_6_Turbulence_Grid – Analyse de la turbulence (Acusolve)
- 1_7_Airfoil – Flujo compresible (Acusolve)
- Turbulences
- 2_1_Curved_Channel – SST avec correction de courbure
- 2_2_Diffuser – Modèles RANS de Turbulence
- 2_3_Airfoil – Transition de l’écoulement laminaire à l’écoulement turbulent
- 2_4_Stable_Pipe – Simulation LES et Turbulence Artificielle
- 2_5_Collines_périodiques – Modèles hybrides RANS-LES
- 2_6_Cylinder – RANS-LES hybride + effets de transition
- 2_7_Bluff_Body – Simulation adaptative à l’échelle (SAS)
