CFD, mécanique des fluides numérique : qu'est-ce que c'est?

Au travers de mon activité professionnelle, je propose au monde de l’industrie une expertise et du conseil en tant qu’ingénieur en CFD, ou modélisation numérique en mécanique des fluides. « Mais encore ? » , m’a t-on déjà fait remarquer. Voici, pour ceux qui n’y sont pas familiers, en quoi consiste mon métier.

L'étude de la mécanique des fluides... sur ordinateur

Définition et origine

La CFD (Computational Fluid Dynamics) consiste à étudier la physique des écoulements via la résolution numérique (par ordinateur ou cluster de calcul) des équations régissant le comportement des fluides. Elle permet ainsi de calculer l’évolution temporelle et/ou spatiale de tout système fluide, moyennant un degré d’approximation par rapport à la réalité qui est directement dépendant des hypothèses de modélisation choisies.

Historiquement, cette spécialité de la physique numérique s’est avant tout développée pour étudier l’aérodynamisme dans le monde automobile ou aérospatial. Puis progressivement, elle s’est propagée à d’autres secteurs. Aujourd’hui, la simulation numérique en mécanique des fluides est devenue incontournable dans un grand nombre de domaines, et concerne presque tous les secteurs d’activité. Aujourd’hui, le développement des moyens informatiques permet par ailleurs d’envisager des simulations dites multi-physiques, en couplant la mécanique des fluides avec d’autres processus (chimie, mécanique des structures, etc.).

Quelques cas d'application de CFD

Tout processus faisant intervenir un ou plusieurs fluides peut faire l’objet d’une modélisation de type CFD. Par conséquent, et comme dit précédemment, la plupart des secteurs d’activité ont à faire à des problématiques de ce type. De manière non exhaustive, on peut par exemple citer :

  • Le bâtiment : ventilation, chauffage / climatisation, désenfumage, condensation.
  • L’urbanisme : écoulement des vents en zone urbaine, résistance des structures aux rafales, études de qualité de l’air.
  • L’énergie : combustion dans les moteurs, refroidissement dans les centrales nucléaires, rendement des parcs d’éoliennes.
  • Le transport : profilage et aérodynamique des véhicules, résistance à l’avancement.
  • L’hydraulique : écoulements à surface libre, fonctionnement des turbines, cavitation.
  • La santé : écoulements sanguins, propagation de virus en milieu confiné.
  • Etc…

Pour avoir une vision plus concrète, ci-dessous sont proposées quelques vidéos démonstratives de simulations CFD réalisées chez NEMOSFLOW.

Quelques exemples de simulations CFD. Retrouvez l’intégralité de mes vidéos ici.

Grandes lignes sur la démarche métier

De manière générale, un problème de CFD se traite souvent via une approche composée de trois grandes étapes, dont voici un petit aperçu.

Modélisation du problème

C’est durant cette phase qu’est construite la représentation numérique du procédé réel. Il est ainsi nécessaire de :

✓ Construire la géométrie du problème et le domaine de calcul.

✓ Discrétiser ce domaine de calcul de façon à pouvoir y résoudre les équations voulues, c’est-à-dire construire un maillage. Pour être tout à fait rigoureux, il faut préciser que cette étape n’est pas nécessaire avec certaines approches. Toutefois, l’essentiel des grands codes commerciaux et open-source sur le marché sont basés sur la méthode dite des volumes finis, qui nécessite bien la réalisation d’un maillage.

✓ Définir les équations à résoudre selon la physique du problème : présence de phénomènes thermiques, de turbulence, de changements de phase, de réactions chimiques, etc…

✓ Mettre au point les conditions aux limites du domaine de calcul, et les conditions initiales du problème traité.

✓ Renseigner les propriétés physiques des matériaux présents.

L’expertise de l’ingénieur CFD doit notamment lui permettre de trouver un bon compromis entre le degré de précision / le type de résultats souhaités, et les hypothèses qu’il est possible d’adopter dans la modélisation. En particulier, la prise en compte des bons termes dans les équations, et la bonne correspondance des conditions aux limites / conditions initiales avec le procédé réel sont des points essentiels à l’obtention d’une simulation pertinente.

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Exemple de modélisation géométrique et de maillage

Simulation numérique du problème

Cette seconde étape fait appel à l’utilisation d’un logiciel de CFD qui va, en tout point (ou volume) du maillage et pour tout pas de temps, résoudre l’évolution du modèle construit précédemment. Selon la complexité du problème traité, la nature du logiciel utilisé et la puissance informatique à disposition, cette résolution peut prendre quelques secondes comme plusieurs mois.

L’ingénieur CFD doit ici utiliser ses compétences numériques pour s’assurer du bon déroulement de la simulation. Pour cela, il doit notamment choisir de manière adéquate :

✓ Les schémas numériques spatiaux et temporels.

✓ Les algorithmes de résolution des systèmes linéaires créés.

✓ Les paramètres numériques nécessaires à une bonne convergence du calcul vers une solution physique, sans pour autant aboutir à une simulation trop longue ou inutilement fine.

Interprétation des résultats obtenus

Une fois arrivé à cette dernière étape de post-traitement, il est d’abord nécessaire de s’assurer de la bonne cohérence des résultats. Pour cela, l’existence d’un cas de référence où il est possible de comparer avec des résultats expérimentaux se révèle souvent précieux. À défaut, l’évolution des grandeurs d’intérêt (compte tenu du comportement physique attendu, des lois de conservation, etc…) doit permettre de valider le modèle construit (ou d’y apporter des corrections). Ce n’est qu’après cela qu’il devient pertinent d’utiliser les résultats dans l’objectif souhaité (optimisation, compréhension, etc…).

cfd simulation of school - Streamline
Exemple de résultats : LDC colorées par la magnitude de la vitesse

Outils nécessaires

Ainsi, pour réaliser et analyser une simulation, l’ingénieur CFD a besoin des éléments suivants:

  • Un cluster de calcul (ou a minima, une puissante station de travail pour les simulations peu gourmandes).
  • Un logiciel de CAO (Conception Assistée par Ordinateur).
  • Un logiciel de maillage.
  • Un logiciel de CFD.
  • Un logiciel de visualisation.

De nombreuses solutions existent sur le marché, que l’on peut séparer en deux grandes catégories:

  • Les solutions propriétaires (Fluent, Star ccm+, etc.).
  • Les solutions open source (OpenFOAM, Code_Saturne, Paraview, etc.).

Chez NEMOSFLOW, j’utilise principalement certains logiciels open source. Pour avoir plus de précisions, vous pouvez jeter un œil à cet article.

Intérêt de la CFD dans le monde industriel

Utilisée à bon escient, la CFD se révèle être un atout majeur :

✓ Pour simuler des systèmes avant de les construire, ce qui permet de les optimiser dans une phase d’avant projet.

✓ Afin d’optimiser un procédé via une multitude de simulations paramétriques, le tout à un coût et dans des délais très modestes en comparaison d’une campagne d’essais.

✓ L’accès à toutes les grandeurs physiques, en tout point du maillage construit et en tout temps simulé permet d’avoir accès à une quantité d’information bien plus importante qu’expérimentalement, ce qui favorise la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu.

✓ Attention toutefois à ne pas perdre de vue l’essentiel : la pertinence de la simulation vis-à-vis du procédé réel. Pour garantir des résultats fiables, toute modélisation doit être confrontée à des validations : vérification du bon comportement sur un cas académique simple, ou comparaison à des essais expérimentaux, par exemple.

La CFD est donc à la fois un outil de recherche et un outil industriel, qui a toute sa place dans le monde de l’ingénierie. De nos jours, elle est présente dans un très grand nombre de secteurs, allant des transports à la météorologie, en passant par la chimie, la médecine ou le BTP. L’optimisation qu’elle apporte peut également présenter des avantages écologiques. A titre illustratif, quelques exemples d’applications peuvent être trouvés ici.

Rôle de l'ingénieur CFD

Au final, travailler dans le monde de la CFD requiert un certain nombre de compétences :

✓ De solides connaissances en mécanique des fluides, en physique, en mathématiques appliquées, en programmation et en calcul scientifique.

✓ La maîtrise d’outils sur lesquels il peut baser son expertise : logiciels de CFD, de maillage, de visualisation scientifique… Mais aussi langages de programmation scientifiques.

L’ingénieur CFD possède, quelque part, le rôle d’interface entre le monde physique et le monde numérique. Cela implique bien souvent de nombreuses interactions avec d’autres corps de métier (génie civil, procédés, informatique, etc.), et avec d’autres secteurs de la physique (électromagnétisme, mécanique, chimie, etc.). Son expertise doit lui permettre de représenter correctement la physique souhaitée, avec les outils et la puissance informatique dont il dispose. Comme le dit l’adage, il doit faire des calculs justes, et non juste des calculs !

C’est évidemment l’objectif que je poursuis à travers mon activité chez NEMOSFLOW. Pour plus de détails, rendez-vous ici.

Si cet article vous a plu, ou si vous souhaitez en discuter, n’hésitez pas à me contacter !

NEMOSFLOW vous remercie de votre visite sur son site web!

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