Maîtriser la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) : applications et impact transverses

CFD pour Computational Fluid Dynamics) est utilisée dans de nombreux secteurs et applications.

De la conception de moyens efficaces pour maintenir une puce système (SoC) assez froide pour fonctionner correctement, à l'optimisation de voitures de course pour grappiller quelques secondes, la CFD reste un outil puissant de simulation et d'optimisation.

Figure 1. La CFD est souvent associée à l'aérospatial et l'automobile, mais s'applique à divers secteurs : moteurs électriques, robotique, batteries, gestion thermique. Image utilisée avec l'autorisation de Siemens.

Qu'est-ce que la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) ?

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

Il est important de noter que les fluides ne se limitent pas aux liquides. Ils incluent aussi les gaz comme l'air. La CFD peut simuler : écoulement de fluides, réactions chimiques, changements de phase, transferts de chaleur et de masse, et le comportement de liquides, gaz et solides traversant un système.

Comment fonctionne la CFD : les bases

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

Figure 2. Simulation d'écoulement illustrant le flux de particules fluides à travers un système interagissant avec solides, autres liquides et chaleur. Image utilisée avec l'autorisation d'Autodesk.

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

Résultats de la modélisation CFD

Les résultats peuvent être post-traités pour fournir des visualisations informatives : lignes de courant représentant la vitesse (vitesse et direction) de l'écoulement, cartes de distribution de température, traçage de particules montrant le mouvement d'une particule fluide unique, entre autres.

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

Quel est le modèle CFD le plus utilisé ?

Le modèle le plus répandu en CFD est le FVM (Finite Volume Model / Méthode des volumes finis). Strictement, c'est une méthode de discrétisation où le volume fluide est divisé en volumes de contrôle finis. Ces volumes individuels sont centrés sur un nœud situé au centroïde du volume.

La forme différentielle des équations gouvernantes du modèle est intégrée, et la variable d'intérêt entre centroïdes est obtenue par profils d'interpolation. L'équation résultante, appelée équation de discrétisation, exprime alors le principe de conservation pour la variable à l'intérieur du volume de contrôle.

Le FVM est populaire pour sa polyvalence et parce que la solution satisfait la conservation de quantités comme l'énergie, les espèces, la quantité de mouvement, ou la masse. La conservation est exactement satisfaite pour chaque volume de contrôle individuel et pour l'ensemble du domaine de calcul.

Figure 3. Application extensive de la CFD en gestion thermique électronique, exemple châssis modulaire pour applications critiques. Image utilisée avec l'autorisation d'ANSYS.

D'autres méthodes utilisables avec la CFD : la Méthode des Éléments Finis (MEF/FEM), typiquement associée à la mécanique des solides, et l'Analyse par Éléments Finis (AEF/FEA).

Il y a aussi la FDM (Finite-Difference Method / Méthode des différences finies) ; moins utilisée pour la CFD que FVM et FEM, mais très employée en météorologie, sismologie, et effets spéciaux cinéma/télévision.

À quoi sert la Dynamique des Fluides Numérique ?

En général, la CFD optimise, analyse et vérifie les designs impliquant des écoulements fluides avant la fabrication de prototypes coûteux. Les tests physiques coûteux sont réalisés sur ces prototypes.

Généralement, la CFD peut être utilisée pour :

• Simulation de batteries
• Refroidissement de moteurs électriques
• Rhéologie
• Efficacité énergétique
• Gestion thermique
• Interaction fluide-structure
• Optimisation de forme
• Modélisation de turbulence
• CVC (HVAC)
• Optimisation de pales de turbine
• Conception aéronautique/aérospatiale
• Conception automobile

Plus spécifiquement, la CFD est utilisée pour :

• Optimisation de la gestion thermique efficace pour SoC
• Développement de locomotion pour robots sous-marins bio-inspirés
• Conception de manipulateurs de robots souples
• Ingénierie de moteurs électriques à refroidissement par eau
• Étude de l'encrassage par pétrole brut sur surfaces d'échange thermique
• Gestion thermique d'un châssis modulaire robuste pour électronique de communication militaire
• Optimisation de performance de voitures de course

En outre, la CFD peut être couplée à la FEA pour capturer les interactions complexes entre fluides, thermodynamique, chaleur, électricité, magnétisme et analyse structurelle.

Figure 4. La CFD peut optimiser l'efficacité énergétique des centres de données, fournissant des infos sur le flux d'air de refroidissement nécessaire pour maîtriser les températures. Image utilisée avec l'autorisation d'Autodesk.

Logiciels de Dynamique des Fluides Numérique

Il existe une grande variété de logiciels CFD sur le marché. Exemples : ANSYS Fluent et CFX, deux packages CFD bien connus. Aussi : PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm, Autodesk CFD.

Tous ne sont pas commerciaux : OpenFOAM est un package CFD gratuit, open-source, tournant sur Linux, macOS et Windows 10. Il existe aussi des systèmes CFD basés navigateur comme SimScale (basé sur OpenFOAM). Et des outils de post-traitement puissants comme Ceetron Desktop Components qui donnent vie aux données de solution CFD.

Bien exécutée, la CFD révèle le comportement des fluides et leurs interactions avec solides, chaleur, changements de phase, réactions chimiques. Utilisée dans de nombreux secteurs, elle aide à optimiser les designs et économiser temps et argent sur le prototypage et les tests physiques. Des buses d'injection de moteurs d'avion aux carrosseries de voitures de course, en passant par la robotique souple et les systèmes de refroidissement par air de centres de données, la CFD s'est avérée inestimable maintes fois dans le processus d'ingénierie.