Dans une simulation CFD classique, le domaine est divisé en petits volumes de contrôle. Lorsqu’un objet à l’intérieur de ce fluide se déplace (par exemple, un piston ou une vanne), le maillage d’origine ne correspond plus aux limites d’origine du domaine. Cependant, ces situations sont très courantes dans les processus et les produits, c’est pourquoi les simulations CFD avec des éléments mobiles représentent un domaine d’intérêt industriel majeur.
Pour réaliser ces simulations, on utilise des maillages mobiles, dans lesquels il est possible de définir le mouvement du maillage (translation, rotation…) afin de s’adapter aux changements de géométrie du domaine pendant la simulation.
La principale différence réside dans le fait que, contrairement à un maillage fixe (où le fluide passe à travers des cellules immobiles), les nœuds du maillage ont leur propre vitesse et trajectoire.
Méthodes de simulation pour maillages mobiles
Le choix de la technique appropriée dépend de la nature du mouvement (rotation, translation linéaire ou trajectoire complexe) et du type d’interaction simulé. Les trois méthodes les plus couramment utilisées pour aborder ce problème sont les suivantes:
- MRF (Multiple Reference Frame): cela n’implique pas de mouvement physique du maillage pendant le calcul, mais des modifications sont apportées au système de référence afin d’inclure les forces d’inertie dans les équations du fluide. Cette méthode est largement utilisée dans les turbomachines (telles que les ventilateurs ou les mélangeurs), car elle est rapide et utile pour les analyses stationnaires.
- Stretching Mesh: bien qu’aucun nouvel élément ne soit généré, les nœuds se déplacent comme s’ils étaient des ressorts, étirant ou comprimant les cellules existantes pour s’adapter au mouvement défini. Son utilisation principale concerne les mouvements linéaires dans des domaines limités, car il évite les erreurs d’interpolation avec le maillage du reste du contour. Par exemple, les moteurs à combustion interne ou les soupapes à mouvement linéaire.
- Overset Mesh: repose sur la superposition de maillages indépendants, l’un pour l’arrière-plan et les autres pour les objets, qui se déplacent librement sans se déformer. Les maillages échangent des données dans les zones où ils se chevauchent grâce à un processus d’interpolation pour chaque intervalle de temps. Cette technique est efficace pour les mouvements libres ou les rotations complexes (comme le vol d’un drone). L’image suivante montre un exemple de mélangeur industriel.
Exemple d’application
À titre d’exemple pratique simplifié, nous analysons l’entrée d’un train dans un tunnel afin d’évaluer ce que l’on appelle l’effet piston. À mesure que le véhicule avance, il comprime l’air devant lui, générant une onde de pression longitudinale qui se déplace à la vitesse du son. Ce phénomène génère des charges structurelles critiques et le « boom » caractéristique à la sortie du tunnel.
L’étude a été réalisée en mettant en œuvre la technique Stretching Mesh dans Cradle CFD dans un domaine 2D. La simulation des éléments mobiles du modèle repose donc sur la compression progressive du volume d’air situé entre le train et la sortie du tunnel.
Les résultats obtenus à partir de l’analyse transitoire du modèle simplifié sont présentés ci-dessous. Ils montrent la propagation de l’onde de pression, le mouvement du train et la déformation du maillage.
