Comprendre la dynamique des fluides numérique (CFD)

La dynamique des fluides numérique (souvent abrégée CFD) est utilisée dans diverses industries et applications.

Qu'il s'agisse d'élaborer des moyens efficaces pour maintenir un SoC (système sur puce) suffisamment froid pour qu'il fonctionne correctement ou d'aider les voitures de course à gagner quelques secondes de plus, la dynamique des fluides numérique reste un outil puissant pour la simulation et l'optimisation.

Figure 1. La CFD est souvent associée à la conception aérospatiale et automobile, mais elle s'applique à diverses industries, notamment les moteurs électriques, la robotique, les batteries et la gestion thermique. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Siemens

Qu'est-ce que la dynamique des fluides numérique (CFD) ?

CFD est un outil de simulation numérique et de modélisation basé sur les principes de la dynamique des fluides. Il s'appuie sur des méthodes numériques et des algorithmes pour résoudre des problèmes impliquant l'écoulement de fluides.

Dans le cadre de cette explication, il est important de considérer que les fluides ne se limitent pas aux liquides. Les fluides comprennent également des gaz comme l'air. La CFD peut simuler l'écoulement des fluides, les réactions chimiques, les changements de phase, le transfert de chaleur et de masse, ainsi que les liquides, les gaz et les solides lorsqu'ils traversent un système.

Comment fonctionne la dynamique des fluides numérique (CFD) :les bases

Les principales équations déterminantes impliquées sont l'équation de continuité (conservation de la masse), la deuxième loi de Newton (conservation de la quantité de mouvement) et la première loi de la thermodynamique (conservation de l'énergie). Les variables clés sont la vitesse, la pression et la température absolue, ainsi que la densité, la conductivité thermique, l'enthalpie et la viscosité.

Figure 2. La simulation d'écoulement illustre l'écoulement de particules fluides à travers un système lorsqu'elles interagissent avec les solides, d'autres liquides et la chaleur. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Autodesk

La simulation CFD vise à comprendre la vitesse, la pression et la température à chaque point du régime d'écoulement.

Résultats de la modélisation CFD

Les résultats de la modélisation CFD peuvent être post-traités pour fournir des visualisations informatives qui peuvent inclure des lignes de courant représentant la vitesse (vitesse et direction) du flux de fluide, des cartes montrant les distributions de température et un traçage de particules qui montre le mouvement d'une seule particule de fluide (pour n'en nommer que quelques-uns ).

Avec l'augmentation continue de la puissance de calcul et des capacités graphiques, les visualisations peuvent être manipulées en 3D et générer des images, des vidéos et des animations convaincantes pour aider les utilisateurs à interpréter les données et à les partager avec un public non averti.

Quel est le modèle de dynamique des fluides numérique le plus utilisé ?

Le modèle le plus largement utilisé en CFD est FVM, qui signifie modèle de volume fini. À proprement parler, il s'agit d'une méthode de discrétisation où le volume de fluide est divisé en volumes de contrôle finis. Ces volumes de contrôle individuels sont centrés autour d'un nœud situé au centre du volume.

La forme différentielle des équations régissant le modèle est intégrée et la variable d'intérêt entre les centroïdes est obtenue à l'aide de profils d'interpolation. L'équation résultante, connue sous le nom de discrétisation ou équation discrétisée , exprime alors le principe de conservation de la variable à l'intérieur du volume de contrôle.

La FVM est très populaire en raison de sa polyvalence et parce que la solution satisfera à la conservation de quantités telles que l'énergie, les espèces, la quantité de mouvement ou la masse. La conservation est exactement satisfaite à la fois pour les volumes de contrôle individuels et pour l'ensemble du domaine de calcul.

Figure 3. La CFD trouve de nombreuses applications dans la gestion thermique de l'électronique, comme dans cet exemple de châssis modulaire utilisé pour des applications critiques. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'ANSYS

D'autres méthodes qui peuvent également être utilisées avec la CFD incluent la méthode des éléments finis (FEM), généralement associée à la mécanique des solides, et l'analyse par éléments finis (FEA).

Il existe également la méthode FDM ou Finite-Different Method; cette méthode particulière n'est pas aussi largement utilisée pour la CFD que la FVM et la FEM, mais trouve une application étendue dans les calculs météorologiques, la sismologie et les effets spéciaux pour les films et la télévision.

À quoi sert la dynamique des fluides numérique ?

De manière générale, CFD optimise, analyse et vérifie les conceptions impliquant un écoulement de fluide avant la fabrication de prototypes coûteux. Des tests physiques coûteux sont effectués sur ces prototypes.

Généralement, le CFD peut être utilisé pour :

• Simulation de batterie
• Refroidissement du moteur électrique
• Rhéologie
• Efficacité énergétique
• Gestion thermique
• Interaction fluide-structure
• Optimisation de la forme
• Modélisation des turbulences
• CVC
• Optimisation des pales de turbine
• Conception aéronautique/aérospatiale
• Conception automobile

Plus précisément, le CFD est utilisé pour :

• Optimisation d'une gestion thermique efficace pour les SoC
• Développer la locomotion pour les robots sous-marins bio-inspirés
• Conception de robots manipulateurs souples
• Ingénierie de moteurs électriques refroidis par eau
• Étude de l'encrassement des surfaces de transfert de chaleur par le pétrole brut
• Gestion thermique d'un châssis modulaire durci pour l'électronique de communication militaire
• Optimisation des performances des voitures de course

De plus, la CFD peut être utilisée avec la FEA pour capturer des interactions complexes entre les fluides, la thermodynamique, la chaleur, l'électricité, le magnétisme et l'analyse structurelle.

Figure 4. Le CFD peut optimiser l'efficacité énergétique du centre de données, en fournissant des informations sur les caractéristiques clés telles que le flux d'air de refroidissement nécessaire pour garder les températures sous contrôle. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Autodesk

Logiciel de dynamique des fluides numérique

Il existe une grande variété de progiciels CFD sur le marché. Par exemple, ANSYS Fluent et CFX sont deux progiciels CFD bien connus. Il existe également PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm et Autodesk CFD.

Cependant, tous les packages CFD ne sont pas commerciaux :OpenFOAM est un package CFD gratuit et open source qui fonctionne sous Linux, macOS et Windows 10. En outre, il existe des systèmes CFD basés sur un navigateur tels que SimScale, qui se trouve être basé sur OuvrezFOAM. Il existe également de puissants outils de post-traitement tels que les composants de bureau Ceetron qui donnent vie aux données de la solution CFD.

Lorsqu'il est exécuté correctement, il peut révéler le comportement des fluides et comment ils interagissent avec les solides, la chaleur, les changements de phase et les réactions chimiques. La CFD est utilisée dans de nombreuses industries différentes, aidant à optimiser les conceptions et à économiser du temps et de l'argent pour le prototypage et les tests physiques. Des buses de carburant dans les moteurs à réaction et les carrosseries de voitures de course à la robotique douce et aux systèmes de refroidissement par air des centres de données, la CFD s'est avérée inestimable à maintes reprises au cours du processus d'ingénierie.