8 minutes pour connaître la CFD (Computational Fluid Dynamics)

8 minutes pour connaître la CFD (Computational Fluid Dynamics)

06 Okt, 2022

    8 minutes pour connaître la CFD (Computational Fluid Dynamics)

    Computational fluid dynamics
    06 Okt, 2022

      Le terme Computational Fluid Dynamics (CFD) correspond en français à la Mécanique des Fluides Numérique (MFN). La CFD est le calcul numérique appliqué à la mécanique des fluides. Les logiciels CFD permettent la résolution par ordinateur des équations fondamentales de la mécanique des fluides, qui peuvent être couplées à des équations de transferts thermiques ou de réactions chimiques. Les simulations numériques prennent en compte de nombreux paramètres tels que le volume de fluide, les propriétés physico-chimiques comme le nombre de Reynolds, la viscosité, le nombre de Mach.

      Avec cette lecture de 8 minutes, découvrez les applications de la CFD en industrie !

      Qu’est-ce que la mécanique des fluides numérique ?

      Mécanique des fluides : rappel des bases

      La mécanique des fluides est une discipline physique consacrée à l’étude des comportements d’un fluide : liquides (considérés comme incompressibles), gaz (considérés comme compressibles), ou plus rarement sous forme de plasma. Elle peut être divisée en deux catégories :

      • La statique des fluides (hydrostatique) : étude d’un système au repos. C’est le début historique de cette discipline avec l’étude de la pression et de la poussée d’Archimède.
      • La dynamique des fluides : l’étude d’un système en mouvement.

      Dans la dynamique des fluides, les fluides se classent en deux catégories selon une caractéristique physico-chimique précise : leur viscosité. Elle correspond à la capacité du fluide à s’écouler plus ou moins facilement.

      • Fluides newtoniens : ce sont l’eau, l’air et la majorité des gaz. Leur viscosité est constante, elle ne varie simplement qu’en fonction de la température.
      • Fluides non newtoniens : tous les autres fluides tels que le sang, les gels, les émulsions, les pâtes… La viscosité de ces fluides ne varie pas seulement en fonction de la température, mais est aussi fonction de la vitesse et des contraintes subies lors de l’écoulement.

      L’étude des gaz ou liquides est faite par l’application de divers formules ou théorèmes propres à cette discipline :

      • loi fondamentale de la statique des fluides ;
      • équation d’Euler ;
      • théorème de Bernoulli et relations de Bernoulli ;
      • équations de Navier-Stokes.
      Point de détail sur le fluide parfait

      Un fluide parfait est un fluide idéalisé (il n’existe pas naturellement) pour faciliter son étude. Son mouvement est étudié sans prendre en compte ses paramètres de viscosité et de conductivité thermique. S’ajoute à cela, l’hypothèse de conservation de la masse. Le fluide parfait est une approximation.

      Mécanique des fluides numérique

      La mécanique des fluides numérique est une progression de la mécanique des fluides classique pour laquelle on utilise l’analyse numérique pour visualiser et étudier le comportement de fluides en conditions réelles. Cette discipline a connu un développement important durant les trente dernières années, et est devenue incontournable dans de nombreux secteurs d’activité. Les méthodes de simulation numérique sont appliquées à la mécanique des fluides à des fins analytiques : en complément des expériences physiques, mais aussi dans un but de prédiction. 

      Les logiciels de simulation CFD sont largement utilisés et deviennent incontournables pour les industriels. Ils facilitent la compréhension des phénomènes physiques par les ingénieurs sur des modèles simulés avant la réalisation de tests expérimentaux sur des modèles physiques.. Les logiciels CFD prédisent les performances de systèmes complexes avant l’installation d’une infrastructure ou l’utilisation d’un produit pour limiter les défauts qui pourraient être préjudiciables d’un point de vue sécurité.

      Lors des phases de test, le calcul numérique est réalisé avec les paramètres de conditions réelles d’utilisation. Les ingénieurs conception modifient les données jusqu’à l’obtention de modélisations correctes. Plusieurs conceptions alternatives peuvent être étudiées avant de valider la solution finale et de passer à l’étape de production.

      De manière générale, la mécanique des fluides numérique répond à deux enjeux majeurs pour les entreprises :

      • Résoudre des problématiques dont la complexité ne cesse de croître, de part les phénomènes physiques impliqués.
      • Améliorer l’efficacité de la résolution de problèmes : par des meilleurs temps de calcul, mais aussi par une meilleure qualité des résultats obtenus.
      • Réduire le nombre de prototypes (prototypes numériques).

      Pour aller plus loin : la rhéologie en extension à la mécanique des fluides

      La rhéologie est définie comme une science qui étudie les déformations et l’écoulement de la matière. Plus précisément, l’étude du comportement mécanique de la matière : relations entre les contraintes et les déformations. La rhéologie est une branche de la mécanique qui fait le rapport entre la viscosité, la plasticité et l’élasticité de la matière. Cette discipline fait donc appel à des connaissances en résistance des matériaux (RDM) et en hydraulique pour la réalisation de calculs pratiques.

      Les études en rhéologie se situent sur trois niveaux :

      • recherche expérimentale sur les matériaux ;
      • étude théorique selon les lois de comportement de ces matériaux ;
      • étude, à l’échelle microscopique, de l’influence de la structure sur le comportement de la matière : géométrie, maillage…

      La mécanique des fluides peut-être englobée dans la rhéologie.

      Applications de la CFD en ingénierie

      Les outils CFD sont utilisés dès la phase de conception d’un produit pour valider la viabilité d’un modèle physique. La mécanique des fluides numérique s’adapte particulièrement pour prédire les performances d’applications pour lesquelles il est difficile d’effectuer des mesures expérimentales.

      Selon les logiciels de CFD, vous pouvez avoir accès à des fonctionnalités variées, à sélectionner selon votre besoin : 

      • transfert de chaleur ;
      • régime stationnaire (stable) et régime transitoire (variable dans le temps) ;
      • pertes de charge ;
      • modèles de turbulences ;
      • analyse aérodynamique ;
      • mouvements de pièces mobiles ou rotatives ;
      • interactions des fluides avec une structure ;
      • écoulements multiphasiques (plusieurs phases liquides, solides ou gazeuses coexistent et interagissent) ;
      • réaction chimique ;
      • suivi de particules ;
      • solidification ou fusion…

      Après les idées de conception, l’objectif d’une industrie est de commercialiser rapidement des produits à forte valeur ajoutée qui répondent à la demande du marché. L’anticipation des scénarios défaillants et de performances insatisfaisantes est l’un des facteurs de succès au développement d’une nouvelle solution industrielle. La CFD s’avère très utile pour toute industrie cherchant à atténuer au maximum les risques potentiels avant une mise sur le marché.

      Voici des applications industrielles concrètes de la modélisation numérique de phénomènes thermo-fluidiques :

        • Automobile : circuit de climatisation, gaz d’échappement, aérodynamisme du véhicule, boîte de vitesses, circuit de refroidissement du moteur…
        • Aérospatiale et défense : aérodynamisme des véhicules dans le milieu aérien (écoulements subsoniques et supersoniques de fluides). 
        • Électronique : analyse thermique de circuits imprimés, refroidissement d’installations, LED…
      • Énergie : nucléaire, éolien, récupération d’énergies perdues, solaire, etc.
      • Naval : étude de cavitation (création de bulles dans un liquide soumis à une dépression), conception des hélices…
        • Industrie : pompes, turbocompresseurs, ventilateurs, turbines à gaz ou à vapeur… 
      • Divers biens de consommation : acoustique des bâtiments ou des objets, réfrigérateur, casques de moto…

      CFD Computational Fluid Dynamics : les bénéfices pour les industriels 

      Comme vu précédemment, l’utilisation de la CFD est bénéfique dans le cas où le comportement du système physique étudié ne pourrait pas être simulé par les calculs conventionnels. En plus de faciliter la compréhension des collaborateurs sur les projets, la Computational Fluid Dynamics est un moyen de communication des connaissances à des non-experts. Vous pouvez donc utiliser cette méthode pour présenter plus facilement l’un de vos projets à des clients ou à des investisseurs.

      • Réduction des coûts de développement

      Grâce à la modélisation numérique des fluides dans un système de Conception Assistée par Ordinateur (CAO), les frais de prototypage sont réduits. Le lien entre les logiciels CAO 3D et CFD facilite l’itération et l’optimisation rapide de la conception. Ceci entraîne la réduction des coûts de recherche et développement, des coûts en main-d’œuvre…

      • Anticipation des défauts

      La simulation numérique favorise l’anticipation/la prédiction du comportement/du fonctionnement d’un système afin de sélectionner les concepts les plus prometteurs dès le début du processus de conception. Elle permet en quelque sorte de visualiser l’invisible : les ingénieurs ont plus d’informations qu’ils ne pourraient jamais en avoir avec un modèle physique.

      L’étude numérique des scénarios facilite la prédiction du fonctionnement d’éléments de conception clés à un stade précoce. Ce dispositif permet ainsi de réduire les risques qui persisteraient aux étapes ultérieures, là où un changement de conception serait plus coûteux.

      Grâce à son implémentation dès le début du processus de conception, les résultats sont au plus proche de l’intention de conception initiale :

      • les incertitudes sont identifiées plus tôt :
      • les risques sont éliminés quand il est possible et plus rapide d’apporter des changements.
      • Amélioration de la qualité produits

      C’est la conséquence des bénéfices précédents. Grâce à l’étude amont des phénomènes de mécanique des fluides pendant la conception d’un produit ou d’une solution, la performance finale sera valorisée. Intégrer la CFD à son processus de conception vous permet d’améliorer la qualité finale de vos prestations. La satisfaction client est ainsi améliorée, et en découle un impact positif sur votre chiffre d’affaires.

      La mécanique des fluides numérique utilisée pour les applications industrielles, facilite le travail des ingénieurs de bureau d’études dans le développement de solutions ou de produits. Le logiciel de CFD s’utilise par les industriels aux premières étapes du développement des produits : c’est un réel outil de créativité et d’exploration des systèmes. Le prototypage virtuel est souvent accompagné de prototypes physiques qui existent non plus seulement pour tester, mais valider les prédictions. La CFD est une solution pour se rapprocher de la conception industrielle optimale.

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