13 applications CFD essentielles : Performance élevée dans l'aérospatiale, CVC et électronique

La dynamique des fluides computationnelle (CFD) est une science qui utilise des structures de données pour résoudre des problèmes d'écoulement de fluides — comme la vitesse, la densité et les compositions chimiques.

Cette technologie est utilisée dans des domaines comme la prévention de la cavitation, l'ingénierie aérospatiale, l'ingénierie CVC, la fabrication électronique, et bien plus.

Voici une liste des applications de simulation CFD les plus courantes utilisées aujourd'hui.

1. Simulation CFD pour la prévention de la cavitation

La cavitation est la formation de bulles de vapeur dans un liquide, et se produit quand un objet (comme une hélice) se déplace dans le liquide. La cavitation peut endommager les hélices, buses, turbines, déversoirs et vannes.

La cavitation est un problème critique de dynamique des fluides qui impacte un large éventail de domaines d'ingénierie.

Le plus gros problème ?

Il est très difficile de détecter les dommages causés par la cavitation sur un composant pendant les tests de contrainte physiques — car les dommages sont graduels et ne montrent pas d'effets évidents jusqu'à ce qu'ils atteignent un seuil critique.

Par exemple, une façon de mesurer les dommages de cavitation sur une hélice est d'utiliser des instruments pour mesurer les vibrations et le bruit. Mais la plupart des instruments ne sont pas assez sensibles pour mesurer précisément ce type de dommage.

La simulation de cavitation par CFD, cependant, peut aider les ingénieurs à définir de minuscules seuils qui seraient difficiles à mesurer dans le monde physique. Ils peuvent mesurer à un niveau très granulaire pour comparer des produits et conceptions alternatifs afin d'améliorer la flexibilité, la durabilité et la sécurité de leurs projets.

2. Simulation de machines tournantes par CFD

Les machines tournantes telles que compresseurs, pompes à vapeur, turbines à gaz et turbo-détendeurs ont une chose en commun : la charge cyclique agissant sur la structure.

Les joints labyrinthes sont utilisés dans divers types de machines tournantes pour réduire le flux de fuite. Le gaz passant à travers les joints crée souvent une force motrice qui mène à une vibration instable du rotor.

Ce qui est essentiel ici est de pouvoir déterminer la force dynamique du rotor qui crée l'instabilité.

Une fois de plus, plutôt que d'investir dans du prototypage constant et des tests de contrainte physiques, la simulation CFD peut être utilisée pour tester une variété de variables de conception pour trouver la construction la plus idéale de machines tournantes.

3. Simulation CFD pour écoulement laminaire et turbulent

La turbulence est le mouvement soudain et violent de l'air, de l'eau ou d'autres liquides. C'est l'un des phénomènes météorologiques les plus désastreux et imprévisibles auxquels les pilotes font face. En fait, une turbulence extrême peut rendre impossible pour les pilotes de ligne de contrôler leurs avions, et peut même causer des blessures graves aux passagers.

Les simulations CFD utilisent des modèles de turbulence pour prédire l'effet de la turbulence sur une conception conçue par CAO.

L'un des modèles les plus courants pour simuler la turbulence est le Generalized k-omega (GEKO) dans ANSYS. GEKO aide à adapter les modèles de turbulence à une grande variété d'applications en permettant aux utilisateurs d'ajuster les paramètres individuels de la simulation tout en maintenant la calibration du modèle.

4. Applications CVC (Chauffage, Climatisation, Ventilation) de la simulation CFD

Malgré être un élément négligé de notre vie quotidienne, les systèmes CVC qui pompent et conditionnent l'air dans nos maisons et bureaux nécessitent une ingénierie et une planification intensives.

Pour conditionner l'air d'un espace efficacement, maintenir l'air circulant dans une pièce, et assurer une haute qualité d'air intérieur (QAI), les produits CVC doivent tirer parti de la physique de la dynamique des fluides.

La création de diffuseurs CVC, unités de traitement d'air et UFT nécessite généralement des tests rigoureux pour s'assurer qu'ils peuvent faire circuler et conditionner l'air efficacement, et respecter les normes QAI.

En tant que tel, de nombreux fabricants d'équipements CVC se sont tournés vers la simulation CFD pour accélérer le prototypage et la validation de nouveaux designs. La simulation CFD permet aux ingénieurs d'analyser la performance potentielle de leurs produits dans différents espaces et configurations.

5. Simulation de batteries avec CFD

À première vue, le processus de conception de batteries semble avoir peu en commun avec des domaines comme la conception aérospatiale et CVC — où le flux d'air joue un rôle vital (et évident) dans la fonction principale d'un produit.

Mais la conception de batteries est un processus multidisciplinaire qui nécessite plusieurs pratiques d'ingénierie — incluant chimique, électrique, thermique et fluidique. Et comme tel, la simulation CFD peut jouer un rôle important dans l'optimisation de la performance et de la sécurité des batteries (tout en utilisant moins de temps et ressources sur les tests physiques).

Des logiciels CFD comme Simulia peuvent aider les fabricants de batteries à visualiser en 3D et résoudre les problèmes associés à la décharge rapide, au chauffage ambiant excessif et à la surcharge — qui n'impactent pas seulement la durée de vie de la batterie, mais aussi la sécurité des consommateurs.

6. Simulation d'aérodynamique avec CFD

L'aérodynamique est l'étude de la façon dont l'air s'écoule autour des objets (comme les avions ou automobiles).

C'est peut-être l'application la plus connue de la CFD — car les concepteurs automobiles, ingénieurs aérospatiaux et fabricants d'équipements sportifs utilisent tous des logiciels de simulation pour réduire la traînée et la friction de l'air tout en améliorant l'efficacité de leurs produits.

Au-delà de pouvoir concevoir des produits aérodynamiques sans investir dans de nombreux prototypes physiques, la simulation rend possible pour les ingénieurs de tester de très petits changements dans leur conception pour maximiser la performance — des dizaines ou centaines de fois avant d'aller en production.

7. Simulation de transfert de chaleur et gestion thermique en CFD

Le transfert de chaleur et la gestion thermique est la discipline de mesurer comment la chaleur se déplace à travers des conceptions solide-fluide (par exemple, tuyaux transférant du liquide chaud) — et comment optimiser les conceptions en utilisant les principes de conduction, convection ou rayonnement de chaleur.

La gestion thermique est vitale pour assurer l'intégrité structurelle et la sécurité de toute conception nécessitant chaleur ou froid modérés. Elle peut aussi être utilisée pour optimiser la performance et l'efficacité de conceptions utilisant la chaleur ou la combustion pour l'énergie.

La plupart des logiciels CAO professionnels (comme SolidWorks) ont un support natif pour simuler des modèles de transfert de chaleur.

La simulation CFD est utilisée pour optimiser le transfert de chaleur dans tout, des conceptions de moteurs automobiles aux conceptions de machines à café. Elle est aussi vitale pour une myriade d'autres types de simulation mentionnés sur cette liste (comme CVC) — où le transfert de chaleur est un composant intégral de la fonction principale d'un produit.

8. Simulation de tuyaux et vannes avec CFD

L'écoulement de fluide peut exercer une pression immense sur les tuyaux et vannes — et peut mener à une déformation critique et à l'échec si ce n'est pas correctement pris en compte.

En tant que tel, les raffineries de pétrole, pipelines de gaz naturel et plomberie résidentielle doivent tous être optimisés pour l'écoulement de fluide pour atteindre la sécurité et prévenir les dommages à long terme à l'équipement coûteux.

Avant l'essor de la simulation CFD, ce type d'optimisation nécessitait essais et erreurs. Des systèmes de tuyauterie étaient construits avec des estimations au mieux, et étaient affinés ou révisés après échec.

Avec la simulation CFD, les ingénieurs peuvent modéliser la performance d'un système entier de tuyaux ou isoler un seul composant (comme une vanne) pour diminuer la probabilité d'échec. La simulation CFD pourrait aussi être utilisée pour enquêter sur l'échec d'infrastructures vieillissantes après-coup, donnant aux ingénieurs une image plus précise de ce qui s'est passé.

9. Simulation de refroidissement électronique avec CFD

Tous les appareils électroniques en usage aujourd'hui nécessitent une forme de gestion de chaleur (que ce soit dissipateurs thermiques, aérations, ventilateurs, composants thermiques, ou une combinaison). C'est parce que les puces comme GPU et CPU commencent à mal fonctionner quand elles surchauffent. Ces composants doivent être maintenus relativement frais pour maintenir la performance (généralement sous 85°C).

Sans simulation ou tests extensifs, les fabricants d'électronique libéreraient fréquemment des produits sur le marché (comme téléphones, jouets, puces informatiques, etc.) qui échoueraient à cause de la surchauffe.

La simulation CFD peut être utilisée pour tester et organiser le placement le plus idéal des composants (dissipateur, ventilateur, etc.) pour s'assurer que les puces sensibles ne surchauffent pas.

10. Simulation CFD de turbomachines

La turbomachinerie est un concept de génie mécanique qui décrit les machines qui transmettent l'énergie d'un rotor à un fluide (comme un compresseur ou une turbine).

Les moteurs à réaction d'avion sont un exemple commun de turbomachinerie, car ce sont des turbines à gaz qui produisent de la poussée à partir de gaz d'échappement.

Le logiciel CFD est utilisé extensivement dans la conception et l'optimisation de turbomachines, du pré-traitement, modélisation, maillage, jusqu'au post-traitement.

11. Simulation CFD de matériaux à haute rhéologie

Les matériaux à haute rhéologie sont des solides qui peuvent se comporter comme des liquides quand des forces et contraintes leur sont appliquées. Exemples de tels matériaux :

• Plastiques
• Polymères
• Verre
• Métaux
• Ciment

En utilisant des techniques comme le soufflage, le thermoformage et l'extrusion — les fabricants peuvent façonner ces solides en un produit final.

Par l'application de la simulation CFD, les fabricants peuvent accélérer leurs processus de conception de matériaux rhéologiques tout en minimisant les demandes d'énergie et de matières premières. Ils peuvent identifier des économies de coûts en changeant la forme des matrices de fabrication, réduisant le matériau excédentaire, et prototypant rapidement des designs rhéologiques.

12. Simulation d'écoulements réactifs et combustion avec CFD

Les fluides en écoulement qui sont chimiquement réactifs (dans le cas d'un moteur à combustion, par exemple), sont appelés « écoulements réactifs » en simulation.

Ces types d'écoulements représentent un problème de physique difficile pour les ingénieurs.

Prédire le comportement d'un fluide réactif à l'échelle de la chimie de banc (millimètres) est une chose — mais le faire à l'échelle de la solution (en litres cubes) en tenant compte de la turbulence est immensément difficile.

Et pourtant, c'est un problème important.

Être capable de comprendre la chimie et la physique sous-jacentes des écoulements réactifs est crucial pour augmenter l'efficacité énergétique, la flexibilité du carburant, et réduire les émissions dans les secteurs automobile, aérospatial et énergétique.

C'est un domaine où la simulation CFD excelle. Elle peut gérer des problèmes complexes multi-physiques comme les écoulements réactifs — donnant aux fabricants des insights sur leurs produits qui seraient presque impossibles à calculer manuellement — sans nécessiter de tests physiques coûteux.

13. Écoulement incompressible et compressible avec simulation CFD

L'écoulement compressible fait référence à un écoulement de fluide où la densité n'est pas constante.

En d'autres termes, un fluide comme l'oxygène, dont la densité peut être compressée ou décompressée avec des changements de pression — a un écoulement compressible.

L'écoulement incompressible fait référence à un fluide dont les changements de densité sont négligeables, indépendamment de la pression.

L'eau s'écoulant dans un tuyau a un écoulement incompressible, car la pression aura un impact infinitésimal sur sa densité.

Les deux types d'écoulement présentent des défis uniques pour les fabricants et ingénieurs. Les ingénieurs travaillant sur l'aérodynamique, par exemple, doivent prendre en compte la compressibilité de l'oxygène (avec des objets voyageant à différentes vitesses) dans leur analyse. Inversement, les industries qui travaillent avec des fluides incompressibles doivent prendre en compte les écoulements turbulents violents, puissants et chaotiques dans leurs calculs.

Et dans le cas de l'aérospatiale — où les deux types de calculs peuvent avoir besoin d'être combinés dans une seule analyse — les tests et la planification peuvent devenir incroyablement complexes.

C'est pourquoi la simulation CFD est une nécessité absolue pour de nombreux fabricants modernes. Des logiciels comme SimScale permettent aux ingénieurs d'analyser les écoulements incompressibles et compressibles dans une seule simulation en assignant des propriétés uniques à différents fluides.

Réflexions finales

Avant l'avènement de la simulation, de nombreux problèmes pratiques de physique du monde étaient résolus avec des tests physiques coûteux (et chronophages). Les entreprises dont les produits renonçaient à des tests rigoureux payaient considérablement plus avec des échecs de produits et rappels (et dommages à la réputation) à long terme.

Mais avec l'avènement de la modélisation par simulation, les ingénieurs et concepteurs de toutes les industries ont gagné l'accès à un moyen peu coûteux de tester leurs produits dansvirtuellement n'importe quelles conditions.

La dynamique des fluides computationnelle en particulier permet aux ingénieurs de tester et améliorer les conceptions de produits où l'écoulement de fluide, la turbulence et le transfert de chaleur sont des calculs vitaux.

Mais les tests ne sont qu'une partie de l'équation.

Être capable de mettre à jour les conceptions CAO rapidement et efficacement pour corriger les problèmes signalés par l'analyse CFD reste un problème pour les concepteurs — car cela nécessite souvent beaucoup de retravail manuel.

Pour permettre l'adoption à grande échelle de la simulation dans les industries, les applications de simulation doivent devenir plus faciles à utiliser.

Si vous êtes un concepteur ou ingénieur travaillant avec CAO et simulation, vous êtes intimement familier avec la quantité de travail requise pour redessiner les produits basés sur les sorties de simulation. La plupart des logiciels CFD ne mettront pas à jour votre modèle CAO. Au lieu de cela, ils vous donnent un « champ de vecteurs » pour montrer la déformation requise pour optimiser votre modèle. C'est alors la responsabilité du concepteur d'altérer manuellement le design.

Ce processus de re-conception manuelle peut être automatisé en utilisant l'ensemble d'outils de morphing BRep de Spatial. Donné un champ de déformation vectoriel (un ensemble de points avant et après), cet ensemble d'outils vous permet de morpher n'importe quelle géométrie BRep automatiquement. Ainsi, les ingénieurs peuvent accommoder les résultats de simulation dans leur conception, facilement.