Qu'est-ce que la simulation numérique en Mécanique des Fluides (CFD) ?

OptiFluides fournit principalement des études basées sur la simulation numérique de mécanique des Fluides, ou CFD. Nous vous présentons ici les grands principes de la discipline.

Modélisation CFD d'un barrage hydroélectrique

Introduction à la simulation CFD

La simulation numérique en mécanique des fluides, également appelée CFD (Computational Fluid Dynamics) en anglais et MFN (Mécanique des Fluides Numérique) en français, est une discipline scientifique qui permet de modéliser, simuler et analyser le comportement des fluides (liquides et gaz) dans un environnement donné, à l’aide d’outils numériques. Cette discipline est maintenant indispensable à l’industrie, permettant par exemple aux ingénieurs de prédire l’écoulement de l’air autour d’un avion, la circulation de l’eau dans une centrale hydro-électrique, ou encore la dispersion des polluants dans l’atmosphère, sans avoir à construire de prototypes physiques coûteux (ou moins).

Simulation CFD d'une tour aéroréfrigérante de centrale nucléaire de production électrique

Pourquoi utiliser la simulation numérique en mécanique des fluides ?

Ces modélisations sont aujourd’hui indispensables dans de nombreux secteurs industriels : hydraulique, énergie et environnement, santé, transports, génie civil, etc.

La simulation CFD permet :

  • D’optimiser la performance des produits et systèmes (profil aérodynamique, rendement énergétique, etc.)
  • De réduire les coûts et les délais de développement en réduisant le nombre de prototypes physiques, longs et coûteux à réaliser.
  • D’explorer des phénomènes complexes difficilement observables expérimentalement (turbulences, transferts thermiques, cavitation, écoulement en milieu dangereux, en apesanteur, etc.)
  • De tester virtuellement des centaines de configurations, tout en ayant une connaissance tridimensionnelle et exhaustive de toutes les grandeurs physiques souhaitées (vitesses, transferts thermiques, pressions…).

Comment fonctionne une simulation CFD ?

La simulation numérique repose sur plusieurs étapes clés :

  1. Modélisation du domaine physique
    On crée une géométrie représentant le système étudié : canal, aile d’avion, échangeur thermique…
  2. Maillage (pour la plupart des logiciels… mais cela dépend de la méthode numérique utilisée !)
    Le domaine est découpé en petits volumes élémentaires appelées cellules. Le maillage doit être adapté aux caractéristiques de l’écoulement que l’on étudie (zones plus ou moins fines, compromis entre précision des résultats et temps de calcul).
  3. Choix du modèle physique et des équations
    La CFD repose d’abord sur les équations de Navier-Stokes, qui décrivent les lois fondamentales de conservation de la masse et de la quantité de mouvement. Des modèles physiques complémentaires peuvent être ajoutés, pour décrire la turbulence, les transferts thermiques, différentes phases (liquides/gaz/granulaires…), etc.
  4. Conditions aux limites et paramètres physiques
    Température d’entrée, vitesse d’écoulement, pression, rugosité… tous les paramètres doivent être définis avec soin pour obtenir un modèle représentant convenablement le problème à étudier.
  5. Résolution numérique
    Un solveur CFD (tel que ceux dont disposent les logiciels ANSYS Fluent ou OpenFOAM) est utilisé pour résoudre numériquement les équations sur le maillage et permettre d’obtenir une solution convergée du problème.
  6. Post-traitement
    Après avoir vérifié la convergence et la validité de la solution obtenue, on analyse les résultats à travers l’extraction de grandeurs physiques (profils de température, de vitesse, grandeurs moyennées, minimales, maximales sur des volumes, des surfaces, variations temporelles…) ou des visualisations (lignes de courant, champs de température, pression, iso-surfaces etc.) pour en tirer des conclusions utiles.

Etapes clés d'une simulation CFD (exemple pour la méthode des volumes finis)

Quels sont les avantages de la simulation CFD par rapport aux tests physiques ?

  • Précision accrue sur des domaines difficiles d’accès, voire dangereux.
  • Réduction drastique du nombre d’essais en laboratoire
  • Possibilité d’itérations rapides et d’exploration de scénarios extrêmes
  • Simulation de phénomènes réels dans des conditions réalistes (pas de problème de similitude par exemple…)
  • Caractérisation des grandeurs de l’écoulement (vitesses, pression, température…) en tout point de l’espace et du temps – contrairement aux capteurs expérimentaux (ponctuels voire linéaires).

Attention cependant ! Simulation CFD et modèle physique ne sont pas des antagonistes mais des approches complémentaires, particulièrement pour les problèmes les plus complexes.

Limitations et bonnes pratiques

Bien que puissante, la CFD n’est pas exempte de limitations. Elle dépend fortement de :

  • La définition du problème,
  • La modélisation et la simplification de la géométrie,
  • La qualité du maillage,
  • Le choix de modèles physiques adaptés (turbulence, rayonnement, multiphasique…)
  • La connaissance et le choix des conditions aux limites
  • La puissance de calcul disponible
  • L’analyse et l’interprétation des résultats

On comprend ainsi que la validation des résultats par des données expérimentales ou des cas tests simplifiés est essentielle pour garantir leur fiabilité. Et comme le dit l’adage, le problème se trouve bien souvent entre la chaise et le PC !

Puits dans une station d'épuration, calcul CFD VOF, surface libre moyennée Cuve Agitée mélange réactif VOF Species Dispersion atmosphérique de polluants sur un site industriel

En résumé

La simulation CFD, ou simulation numérique en mécanique des fluides est un outil scientifique et industriel devenu indispensable, capable de transformer la manière dont nous concevons, testons et optimisons les systèmes impliquant des fluides (liquide ou gaz, donc quasi tous !). Grâce à cette discipline, il est possible d’anticiper les comportements physiques, d’accélérer l’innovation, et de réduire l’empreinte environnementale des projets.

FAQ – Simulation numérique en Mécanique des Fluides (CFD)

Quelles sont les principales applications de la CFD ?

Les applications du calcul CFD sont très nombreuses dans l’ensemble de l’industrie : santé et biotechnologies, hydraulique, énergies et environnement, chimie, bâtiment, défense et aérospatial, nucléaire, transports, sport… Pour chaque secteur, rendez-vous sur la page spécifique pour découvrir des exemples d’applications !

Quels sont les logiciels de simulation CFD les plus connus ?

Parmi les plus répandus : ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM+, COMSOL Multiphysics, NEK5000… Pour plus d’informations, voir notre page sur les logiciels CFD.

La CFD est-elle accessible aux petites entreprises ?

Oui, grâce aux solutions open-source comme OpenFOAM ou aux plateformes cloud, la CFD devient accessible même avec un budget limité.

Néanmoins, le temps de prise en main est parfois long, et le coût indirect devient alors élevé. Pour mettre le pied à l’étrier, pourquoi ne pas sous-traiter la prestation à OptiFluides ? Nous pouvons également vous transmettre les fichiers de mise en données, et nous détaillons systématiquement les choix de modèles et leur justification pour vous aider à comprendre au mieux comment sont réalisés les calculs et quelles sont les limites des résultats obtenus.

Quelle est la différence entre CFD et FEA ?

L’acronyme « CFD » signifie « Computational Fluid Dynamics », ou Mécanique des Fluides Numérique en français, et désigne l’étude des mouvements d’un fluide par la résolution numérique d’un ensemble d’équations.

L’acronyme « FEA » signifie « Finite Element Analysis », et désigne quant à lui une méthode de résolution numérique d’équations aux dérivés partielles appelée en français Méthode des Eléments Finis.

Il s’agit donc de deux notions différentes, qui, de manière rigoureuse, ne devraient pas donner lieu à une comparaison. Un peu comme si nous vous demandions « quelle est la différence entre une poule et un immeuble ? »…

Néanmoins, cette question se justifie par les raccourcis de langage que nous utilisons régulièrement dans le monde professionnel.

En effet, le terme « FEA » désigne également la simulation numérique en mécanique des structures. Cette discipline a pour objectif de calculer les contraintes et les déformations dans un solide, et est particulièrement utilisée dans l’industrie pour la tenue mécanique des structures. En cause : la formulation mathématique du problème se prête particulièrement à une résolution par la méthode des éléments finis, et l’écrasante majorité des logiciels repose sur celle-ci, ce qui a fini par mener à la confusion entre les deux termes.

La « CFD » n’est pas exempt de tout reproche non plus : en l’utilisant, on pense souvent implicitement à la méthode des volumes finis, utilisées par les grands logiciels (Fluent, OpenFoam, StarCCM+…) car inhéremment conservative.

Et pourtant, il est tout à fait possible de réaliser un calcul de CFD avec la FEM !

Comment apprendre à réaliser des calculs CFD ?

La prise en main des logiciels de CFD nécessite une bonne connaissance de la physique (équations de Navier-Stokes, transferts thermiques, turbulence…) et des méthodes numériques.

Il existe aujourd’hui de nombreux cours en ligne, MOOCs, et vidéos pédagogiques, qui permettent une prise en main progressive des outils, mais qui nécessitera rigueur, assiduité et opiniâtreté pour monter en compétences. Les formations payantes existent également, et s’adresseront plutôt à un public « professionnel » en raison de leur coût parfois prohibitif.

A noter qu’il en est de même avec les logiciels : les mastodontes commerciaux (ANSYS Fluent, StarCCM+) ont un coût très élevé, mais bénéficient d’un support et d’une documentation très complète, tandis que les logiciels libres (OpenFoam) sont gratuits mais avec une documentation réduite et bien évidemment, sans support (mais avec une communauté dynamique !).

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