Qu'est-ce que la simulation CFD ?

Qu'est-ce que la simulation CFD ?

Dans cet article nous nous intéresserons à la compréhension de la simulation CFD de manière générale, en détaillant les différentes étapes communes aux différents types de simulation (génie climatique, hydrologie, transfert thermique, diffusion de la pollution, sécurité incendie…).

Définition de la CFD

Pourquoi utiliser la simulation CFD ?

Le CFD, acronyme de « Computational Fluid Dynamics », est un outil d'ingénierie qui relève de ce que l'on appelle l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO). Plus précisément, la CFD fait référence à la simulation de l'écoulement de fluides, en tenant compte des phénomènes physiques et chimiques impliqués (tels que la turbulence, le transfert de chaleur ou les réactions chimiques).

La simulation CFD : une alternative aux tests en soufflerie

Les essais en soufflerie

Les essais en soufflerie ont pour objet de reproduire l'interaction entre le vent turbulent et les structures. Pour les ouvrages structurellement raides, il est possible d'évaluer les charges aérodynamiques sur des maquettes rigides.

Les essais en soufflerie ont été largement utilisés pour les applications industrielles et dans le génie civil au cours des cinq dernières décennies.

Les tests en soufflerie nécessitent une installation coûteuse et des instruments sophistiqués pour mesurer une gamme de variables de champ (vitesse du vent, charges de pression, intensité de la turbulence, etc.). Leur principale limitation réside dans le fait que de telles mesures ne sont obtenues qu'à quelques points précis de la section d'essai, ce qui restreint considérablement la compréhension globale des processus évolutifs ou transitoires de phénomènes complexes instationnaires (tels que le déchiquetage par vortex, les sillages de turbulence et la stratification thermique).

Étude de la ventilation naturelle en soufflerie

La simulation CFD : une évolution de type boîte à outils

La CFD offre de nombreux avantages pour la ventilation par rapport aux essais en soufflerie. En plus de générer des simulations à l'échelle réelle (plutôt que des modèles à l'échelle réduite pour de nombreuses simulations physiques), elle fournit également des données complémentaires et permet de comparer, pour un vent donné, les vitesses de vent simultanément entre deux points. Il est possible de réaliser des études d'hydrologie, d'aéraulique ou de thermique à différentes échelles : de la microélectronique aux études de bâtiments et de villes. Les résultats peuvent être visualisés plus clairement et expliqués au plus grand nombre.

La simulation CFD : un panel très vaste d'applications

Ces méthodes permettent de résoudre un panel très vaste de problématiques que nous présentons plus bas.

Que peut apporter l'utilisation de la simulation CFD ?

Grâce à la simulation CFD, la conception d'un procédé ou d'un produit peut être améliorée sans recourir à la construction de prototypes (coûteux en temps et en argent) ; une mauvaise prise de décision peut être évitée ; une meilleure connaissance du processus ou du produit est obtenue, grâce à laquelle il est possible d'avancer plus rapidement dans les processus de conception (choix des meilleures solutions), ainsi que de résoudre les problèmes qui apparaissent dans des installations ou des processus déjà en fonctionnement.

Dès lors que le cadre d'un problème physique peut être posé, il peut être étudié en simulation numérique CFD.

Comment s'organise un projet de simulation CFD ?

Combien de temps prévoir pour un projet CFD ?

De manière générale, un projet de simulation de fluide implique une étude préalable du processus ou du phénomène à analyser, la création d'un modèle géométrique détaillé, le choix (et la mise en œuvre si nécessaire) des modèles mathématiques appropriés, l'application des données d'exploitation comme conditions aux limites, le calcul numérique (qui peut varier de quelques minutes à quelques jours, selon la complexité du calcul) et l'analyse des résultats.

Ainsi, malgré le fait que des applications ont été développées ces dernières années pour faciliter son utilisation, exécuter correctement un projet CFD nécessite de l'expérience et un investissement important en ressources.

Définition de la problématique d'étude

Avant de commencer une étude de conception, nous devons vous poser quelques questions importantes. Ces questions sont cruciales pour déterminer la géométrie avec laquelle nous allons débuter les analyses, les parties de votre conception sur lesquelles nous concentrer et les paramètres à observer une fois l'analyse terminée.

Une fois ces réponses obtenues, qui permettent d'améliorer la compréhension des enjeux, nous détaillons ici le processus de modélisation CFD commun à tous les types de projet.

Préparation du modèle 3D

Comment est réalisé le modèle 3D d'étude CFD ?

Une simulation efficace commence par de bonnes techniques de modélisation, à la fois en termes d'intégrité du modèle et de création appropriée des différentes régions d'écoulement des fluides et d'optimisation du maillage. La première étape consiste à concevoir un modèle pour l'analyse de l'écoulement des fluides. Cela signifie modéliser la géométrie où se produit l'écoulement et optimiser le modèle pour la simulation.

Optimiser le modèle pour la simulation

Préparer le modèle 3D CFD à l'optimisation du maillage

Pour étudier le mouvement des fluides dans une conception, il doit exister une modélisation de la région d'écoulement. La plupart des modèles 3D ne l'incluent pas par défaut : il s'agit alors de la réaliser à partir de logiciels qui complètent le modèle 3D d'origine. D'autre part, il s'agit également de préparer le modèle à l'optimisation du maillage dans les zones à fort enjeu. Ainsi, nous ajoutons des pièces 3D — invisibles dans les rendus et dans les études CFD — qui auront pour vocation de permettre de raffiner précisément le maillage dans les zones d'écoulement à capturer.

Qu'est-ce que le maillage ? (et pourquoi est-ce important ?)

La génération du maillage (3D) est une phase importante d'une analyse CFD, vu son influence sur la solution calculée. Un maillage de très bonne qualité est essentiel pour l'obtention d'un résultat de calcul précis, robuste et signifiant.

Calculs en éléments finis

Avant d'exécuter une simulation CFD, la géométrie est divisée en petits morceaux appelés éléments. Le coin de chaque élément est un nœud. Le calcul est effectué aux nœuds. Ces éléments et nœuds constituent le maillage.

Dans les modèles tridimensionnels, la plupart des éléments sont des tétraèdres : un élément à quatre côtés et à face triangulaire. Dans les modèles bidimensionnels, la plupart des éléments sont des triangles.

Structure de maillage

On distingue le maillage structuré et non structuré, orthogonal ou libre. Dans un maillage structuré en 3D, le calcul se fait plus rapidement puisqu'il ne nécessite pas l'assemblage d'une matrice de connexion. Dans un maillage non structuré, ce n'est pas le cas. L'avantage de ce dernier est qu'il permet de mailler des géométries quelconques ; en revanche, la création et la mise en mémoire de la matrice peuvent fortement ralentir le calcul. Ce type de maillage est utilisé pour des géométries complexes comportant des courbes ou un grand nombre d'éléments.

Les volumes solides nécessitent peu d'éléments, à l'inverse des volumes de fluides qui nécessitent un raffinement précis car ils ne peuvent s'éloigner d'une géométrie parallélépipédique ; en effet, pour les angles des éléments très déformés, il y a des risques que le calcul ne puisse converger.

Densité de maillage

En ce qui concerne la densité du maillage, il convient de trouver un compromis entre le coût du temps de calcul et la précision recherchée. Il est inutile de densifier le maillage — et par conséquent d'augmenter le nombre d'itérations — si la précision est suffisante avec un nombre limité d'éléments.

Principe d'adaptation du maillage

La qualité du maillage a un sérieux impact sur la convergence, la précision de la solution et surtout sur le temps de calcul. Une bonne qualité de maillage repose sur la minimisation des éléments présentant des « distorsions » et sur une bonne « résolution » dans les régions présentant un fort gradient (gap, couches limites, recirculation…).

Le maillage est adapté afin d'être le plus fin possible dans les zones d'étude critiques. Cela permet de prendre en compte les phénomènes macroscopiques (volumétrie du bâtiment) canalisant des tubes de courant par effet Venturi, tout en saisissant correctement les phénomènes aérauliques de plus petite échelle (diffusion d'air).

Comment sont définies les conditions aux limites CFD ?

Conditions initiales

Les conditions initiales représentent les caractéristiques de l'écoulement en termes de vitesse et de position de la surface libre au démarrage de la simulation. Si le calcul commence avec des valeurs aléatoires, la simulation risque rapidement de diverger. Afin de ne pas trop s'éloigner des résultats réalistes et d'optimiser le temps de calcul, les conditions initiales sont étudiées et choisies en amont de l'étude CFD.

Conditions aux limites

L'étude des conditions aux limites est déterminante dans une modélisation ; on peut résumer les conditions aux limites comme les hypothèses de la simulation. Il s'agit de l'étape la plus déterminante pour la réussite de l'étude : la mise en place des conditions aux limites spécifiques du projet devra faire l'objet d'une étude détaillée dès le commencement de la mission.

Méthode de résolution

Sélection du modèle de turbulence

La notion de modèle de turbulence est particulière en mécanique des fluides. Elle permet de cataloguer les différentes structures qui coexistent dans un écoulement et de leur donner une certaine importance au sein de l'écoulement.

Des études comparatives des modèles de turbulence menées par Combes [2000] ont permis de désigner le modèle à deux équations de transport k-ε comme le plus adapté aux écoulements généralistes. Il est l'un des modèles les plus utilisés, le plus performant, le plus simple et le plus largement validé. k représente l'énergie cinétique turbulente et ε le taux de dissipation de cette énergie cinétique turbulente. Logiquement, nous l'utiliserons pour la plupart des simulations de fluides en thermo-aéraulique et en hydrologie, mais nous pouvons sélectionner d'autres modèles de turbulence pour des simulations particulières.

Méthode de calcul

La solution numérique est conduite à travers la linéarisation et la discrétisation de l'ensemble des équations de conservation, ce qui nécessite la sous-division du domaine de calcul en un nombre de volumes finis non contigus (le maillage). La résolution de l'étude consiste en la résolution du système d'équations non linéaires de Navier-Stokes sur des serveurs informatiques dédiés à la CFD.

Visualisation des résultats

Synthèses graphiques

L'écoulement d'un fluide dans un volume est généralement complexe et comporte de nombreuses recirculations basse vitesse, ce qui rend la visualisation sur plan difficile. Nous rendons compte des phénomènes les plus marquants par des plans / coupes de situations accompagnés d'explications très complètes.

Nous disposons d'une large gamme de représentations (tube de courant, champ vectoriel, isosurface…) qui permettent de retranscrire au mieux les phénomènes aérauliques identifiés dans le mémoire technique.

L'interprétation des résultats requiert la maîtrise du logiciel d'analyse CFD mais surtout des compétences en physique et une connaissance du produit analysé afin d'expliquer précisément les différents phénomènes.

Vidéos de synthèse

D'après notre retour d'expérience, pour les éléments les plus marquants, des vidéos sont réalisées reprenant les différentes vues du modèle CFD de manière dynamique. Le mémoire technique peut faire référence à ces vidéos afin d'en faciliter la lecture — certains phénomènes se révélant peu compréhensibles sur plan.

Avantages et inconvénients de la simulation CFD

Ces problématiques sont très nettement réduites grâce à l'expérience acquise sur de nombreux projets par les ingénieurs d'EOLIOS. Il est important de réaliser ce type d'étude avec une équipe qualifiée.

Combien coûte une simulation CFD ?

Soyons honnêtes : la CFD n'est pas l'outil d'ingénierie le moins cher (par rapport à une application ou un tableur CAO standard) compte tenu de sa complexité et de ses exigences (expérience, licences, ressources de calcul).

En revanche, les résultats que ce type d'étude offre et leur contribution à un processus de conception ou de résolution de problèmes ne peuvent pas être comparés à ceux obtenus avec des outils plus simples.

La réduction du temps de conception, les économies de prototypage et l'amélioration du processus ou du produit compensent généralement le coût de la simulation CFD. Nous proposons des protocoles de missions adaptés à tout budget.