CFD-03. Détente tourbillonnaire. Analyse transitoire.

Dans ce troisième article consacré à la Dynamique des Fluides Numérique (CFD), nous examinerons un exemple classique d’analyse transitoire : le détachement de tourbillons dans le sillage d’un cylindre. Nous utiliserons à nouveau le solveur Acusolve avec son pré-processeur Hyperworks CFD.

Nous allons étudier l’écoulement autour d’un cylindre dont le nombre de Reynolds à l’entrée est proche de 100. Ce problème a été étudié à de nombreuses reprises, et l’on sait que pour des valeurs de Reynolds dans cet environnement, l’écoulement donne lieu à une série de tourbillons lors de la traversée du cylindre dans des conditions d’écoulement laminaire instable.

Le but de la simulation sera de visualiser ces tourbillons et leur évolution temporelle. Les étapes à suivre sont détaillées dans le tutoriel disponible dans notre section Téléchargements, dans ce billet nous verrons les aspects les plus importants à prendre en compte.

Géométrie du modèle

Tout d’abord, le modèle géométrique est défini. Il est important de laisser suffisamment d’espace dans toutes les directions autour du cylindre pour que les conditions aux limites n’affectent pas l’écoulement à étudier. Là encore, le modèle est, pour des raisons pratiques, bidimensionnel. Acusolve nécessite de travailler avec un modèle tridimensionnel, on utilisera donc une épaisseur similaire à la taille de l’élément à utiliser dans la zone de faible intérêt. Le domaine de simulation est illustré dans l’image suivante.

Géométrie du domaine complet à étudier dans le problème

Pour cette étude, nous utiliserons un matériau défini manuellement avec une densité de 1 kg/m3 et une viscosité dynamique de 0,01 Pa-s. En imposant une vitesse d’entrée de 1 m/s, le nombre de Reynolds à l’entrée est égal à 100. Ainsi, en imposant une vitesse d’entrée de 1m/s, le nombre de Reynolds à l’entrée est égal à 100. Des conditions de symétrie sont placées sur les faces latérales pour refléter la bidimensionnalité recherchée.

Maillage du modèle CFD

Pour le maillage, une taille d’élément similaire à l’épaisseur est utilisée dans les régions de faible intérêt. Comme zones d’affinement, deux bandes de 5 mètres de large centrées sur le cylindre sont définies comme le montre l’image.

Détail du maillage du problème montrant les zones de raffinement.

Le didacticiel montre également un processus utile dans ce type d’étude, dans lequel la simulation CFD transitoire reçoit le résultat d’une analyse stationnaire connexe comme condition initiale. De cette manière, les instabilités d’écoulement souhaitées sont directement observées dans la simulation, sans passer par une première étape dans laquelle l’écoulement atteint progressivement le cylindre. Ce processus explique également comment modifier le fichier .inp d’Acusolve et lancer les simulations à partir du terminal.

Simulation CFD : le délestage tourbillonnaire

Enfin, quelques résultats de simulation sont présentés, qui montrent le détachement de tourbillons à partir d’une situation d’écoulement laminaire. Les résultats de la vitesse et de la pression dans le sillage du cylindre à l’instant final de la simulation sont donnés. L’animation Hyperworks CFD avec l’outil Post-Processing permet de voir l’évolution.

La vitesse et la pression résultent dans le sillage du cylindre, où l'on peut voir les tourbillons détachés.

Dans l’article suivant, nous verrons un exemple de simulation multiphase utilisant le modèle de turbulence LES. Plus précisément, nous utiliserons le logiciel NIST Fire Dynamics Simulator (FDS) pour simuler un incendie de garage et l’efficacité de l’extraction de la fumée, depuis la préparation du modèle jusqu’au post-traitement des résultats avec Smokeview.

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