Simulation CFD : Déflecteurs pour cascades

Les structures à chicanes sont utilisées pour acheminer les flux d’eau urbains dans des tunnels, généralement souterrains. L’eau descend en cascade le long des chicanes jusqu’à une zone saturée d’eau située en dessous, qui s’écoule dans un tunnel. Cette structure a été utilisée avec succès dans des projets de drainage urbain. Toutefois, ses caractéristiques hydrauliques posent un problème au stade de la conception et de l’ingénierie.

L’image suivante, tirée d’un article intéressant sur ce type de structure, présente un schéma de ces éléments.

Structure des chutes d'eau

La simulation CFD est un outil très utile pour ces projets. Les analyses CFD permettent de vérifier l’évolution du flux, d’évaluer la capacité de drainage et la hauteur que l’eau atteindrait dans chaque déflecteur. Cela facilite la localisation des différents éléments de contrôle et d’inspection de ces structures lors de la phase de conception.

Dans cet article, nous verrons quelques conseils et exemples de ces simulations réalisées par l’ICEMM, une entreprise qui possède une grande expérience dans l’analyse et l’optimisation par la simulation CFD.

Préparation du modèle CFD

Au niveau de la simulation, la technique la plus répandue pour modéliser ces problèmes de surface libre est connue sous le nom de VOF (Volume of Fluid). Les logiciels FLOW3D Hydro ou MSC Cradle, par exemple, utilisent cette technique.

Dans l’alternative open source OpenFOAM, le solveur interFoam permet également d’utiliser la méthode VOF.

Dans ce type de simulations transitoires, il est important de réguler le pas de temps de manière adaptative, en veillant à ce que le nombre de Courant reste dans les limites que le solveur peut gérer, généralement en dessous de l’unité. Cela rend également le maillage très important et influence grandement le coût de calcul de la simulation, de sorte que la taille du maillage doit être choisie avec soin.

Dans le cas d’OpenFOAM, les schémas de discrétisation et de résolution appropriés doivent être sélectionnés pour chacune des équations et chacun des termes. Lors de l’imposition des conditions aux limites, il faut également prêter attention à la pression, car le solveur interFOAM résout par défaut la variable de pression sans le terme hydrostatique.

L’image suivante montre un détail d’une structure de maillage dans OpenFOAM avec l’outil snappyHexMesh.

Maillage CFD dans OpenFOAM

Dans les logiciels commerciaux tels que Flow3D ou Cradle, la configuration du cas est un peu plus simple, mais la qualité des résultats pour une taille de maille similaire est très semblable.

Résultats de la simulation CFD

Voici un exemple de simulation CFD de ce type de scénario. Nous avons réalisé une étude d’une structure modèle d’environ 30m de hauteur à l’aide du logiciel OpenFOAM.

Dans cette première vidéo, nous montrons une vue en perspective de la structure qui permet d’en apprécier le comportement global.

Dans celui-ci, nous montrons une vue latérale de l’assemblage, ce qui permet de voir les niveaux atteints par l’eau dans chaque déflecteur. Il serait également possible de définir des coupes pour ne voir que le niveau aux coordonnées des éléments de contrôle ou d’inspection.

Comme nous l’avons vu, ce type de simulation de la surface libre peut être utilisé dans les phases de conception préliminaire où la capacité d’itération rapide est intéressante. Il peut également être utilisé pour valider une conception déjà achevée dans les phases de préconstruction ou pour explorer les optimisations possibles.

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