Mécanique des fluides numérique et ingénieur CFD : 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. Ce dernier 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. 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 les applications suivantes :

Bâtiment : ventilation, chauffage / climatisation, désenfumage, condensation.
Urbanisme : écoulement des vents en zone urbaine, résistance des structures aux rafales, études de qualité de l’air.
Énergie : combustion dans les moteurs, refroidissement dans les centrales nucléaires, rendement des parcs d’éoliennes.
Transport : profilage et aérodynamique des véhicules, résistance à l’avancement.
Hydraulique : écoulements à surface libre, fonctionnement des turbines, cavitation.
Santé : propagation de virus en milieu confiné, écoulements sanguins.
Etc…

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

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 type de résultats attendus, le degré de précision souhaité, et les hypothèses qu’il est possible d’adopter dans la modélisation. En particulier, il est crucial d’évaluer correctement les processus physiques en jeu, afin de sélectionner les bons modèles et de prendre en compte les bons termes dans les équations. Par ailleurs, la bonne correspondance des conditions aux limites et conditions initiales avec le procédé réel sont également des points essentiels à l’obtention d’une simulation pertinente.

Simulation numérique du problème

Cette seconde étape est celle qui fait directement appel à l’utilisation d’un logiciel de CFD. Celui-ci 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 et de la pertinence de la simulation. Pour cela, il doit notamment choisir de manière adéquate :

De quoi discrétiser correctement le système d’équations à résoudre, via les schémas numériques spatiaux et temporels.
Comment résoudre les systèmes linéaires créés, via le choix des algorithmes de résolution.
Quels sont les paramètres numériques nécessaires à une bonne convergence du calcul vers une solution physique. Il faut également veiller à ne pas 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. Idéalement, l’existence d’un cas de référence, avec lequel il est possible de faire une comparaison avec des résultats expérimentaux, se révèle souvent précieuse. 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…).

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).
De quoi faire de la CAO (Conception Assistée par Ordinateur).
Un outil pour la construction de maillage.
Un logiciel de CFD.
De quoi faire de la visualisation scientifique.

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

Celle des solutions propriétaires (Fluent, Star ccm+, etc.).
La seconde, composée des 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 cette page.

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. Cette approche a généralement un coût et 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. En effet, pour garantir des résultats fiables, toute modélisation doit toujours être confrontée à des validations. Par exemple, il conviendra de vérifier son bon comportement sur un cas académique simple, ou par une comparaison avec des essais expérimentaux.

La mécanique des fluides numérique est donc à la fois un moyen 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 dans ce portfolio.

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, vous pouvez jeter un œil aux services en CFD que je propose.