Qu’est-ce qu’une étude CFD ?

OptiFluides, bureau d’études en simulation numérique, fournit principalement des études CFD afin d’accompagner nos clients industriels dans leurs problématiques liées à la Mécanique des Fluides.

Le terme d’étude CFD, bien que maintenant répandu, revêt parfois une définition variable selon les secteurs d’activités. Aussi, nous nous attarderons ici à donner une définition claire et exhaustive de ce qu’est et peut être une étude CFD.

Qu'est-ce qu'une étude CFD ?

Les types d’études que nous réalisons

Mais avant de nous précipiter dans l’étude CFD, prenons un peu de hauteur : quels sont les différents moyens pour répondre à un problème de mécanique des fluides ?

Il existe différentes approches possibles : l’étude analytique, l’étude expérimentale et l’étude numérique (ou calcul CFD). Ces voies diffèrent par leur degré de complexité, leur temps de réalisation et leur coût. Bien que présentées parfois comme antagonistes, ces approches sont très souvent complémentaires et peuvent parfois être combinées pour répondre à une problématique complexe. Chez OptiFluides, nous proposons ces différentes approches pour vous aider à faire face à vos enjeux industriels.

Définition et enjeux d’une étude CFD

Une étude CFD (Computational Fluid Dynamics, ou Mécanique des Fluides Numérique en français) est une étude technique d’ingénierie qui consiste à simuler par ordinateur l’écoulement d’un fluide (liquide ou gaz) dans un produit ou système afin de prédire son comportement.

Dans une étude CFD, l’outil informatique est utilisé pour résoudre numériquement les équations de Navier-Stokes régissant les écoulements fluides, et ainsi prédire les grandeurs d’intérêt de l’écoulement – vitesse, pression, température, flux thermique, contrainte de cisaillement…

Du fait du comportement non linéaire des écoulements fluides, une étude CFD est un atout important pour mieux comprendre le fonctionnement d’un produit ou système et les interactions avec son environnement, optimiser un design, dimensionner un système, anticiper les problèmes, et ainsi réduire les essais expérimentaux, les temps de développement et in fine les coûts.

Quelles différences entre étude analytique, expérimentale ou CFD ?

Dans une étude analytique, on utilise des équations théoriques issues de la physique permettant de proposer une solution mathématique exacte ou simplifiée. Par exemple, on peut citer le calcul de perte de charge dans une conduite droite ou dans une singularité géométrique simple, le calcul d’un débit de fuite à travers un orifice de référence, le calcul d’un débit de seuil, jusqu’à la résolution semi-analytique d’équations aux dérivées partielles sur des bilans thermiques par exemple. Pour proposer ces solutions, il est généralement nécessaire de réaliser des simplifications et hypothèses fortes permettant de se rapporter à un problème de référence dont la solution théorique est connue. Cela constitue une bonne première approche, mais nécessite un temps de mise en œuvre variable, de bien vérifier les limites d’applicabilité des solutions trouvées, et de simplifier fortement les problèmes. Cela n’est pas toujours possible sur une problématique industrielle. Il faut alors passer au niveau de complexité suivant.

2 voies s’offrent alors : l’étude expérimentale ou la simulation numérique. Dans une étude expérimentale, nous allons soit équiper le sujet de capteurs « in-situ », c’est-à-dire sur le produit ou système effectivement installé et en fonctionnement, soit réaliser un prototype, une maquette ou un banc d’essai afin de mesurer directement les grandeurs physiques. Cela a des avantages : les résultats sont très réalistes, on capture l’ensemble des phénomènes complexes, mais présente aussi de nombreuses limites : coûts et délais élevés, effets d’échelle, perturbations externes, mesures ponctuelles.

La simulation numérique va permettre de modéliser le produit ou système à étudier à l’échelle réelle, de tester de multiples configurations en un temps réduit et dans une enveloppe budgétaire généralement beaucoup plus raisonnable, dans un cas « idéal » sans perturbations externes et en permettant une connaissance de la totalité des grandeurs physiques de l’écoulement en tout point du temps et de l’espace. Néanmoins, tout comme l’approche expérimentale, l’approche numérique comporte des limites : erreur numérique, connaissance des conditions limites, validité des modèles mathématiques, adéquation des paramètres numériques… On voit donc ici que les approches expérimentale et numérique ne sont pas opposées mais très complémentaires, particulièrement sur les problématiques complexes, que ce soit pour recaler des modèles numériques ou mieux comprendre l’origine d’un phénomène identifié expérimentalement.

Quels sont les différents types d’études CFD ?

Une fois que le choix s’est porté sur la réalisation de calculs de mécanique des fluides numériques (CFD), il est important de comprendre qu’un univers entier de modèles va exister pour permettre d’apporter une réponse avec un niveau de complexité, de précision, de coût variable et largement dépendant du problème étudié. La première étape pour faire un premier tri est de se rapporter à la classification des écoulements :

  • Stationnaire ou transitoire : un écoulement est dit stationnaire lorsque l’ensemble des grandeurs physiques (vitesse, pression, température) sont constantes dans le temps. Pour un écoulement transitoire, ces propriétés peuvent varier.
  • Monodimensionnel, plan, axisymétrique, tridimensionnel : selon le nombre de directions pour lesquelles les grandeurs physiques sont non nulles, en repère cartésien ou cylindrique.
  • Visqueux ou non-visqueux : selon l’importance de la viscosité dans la diffusion et la dissipation de la quantité de mouvement (viscosité négligeable ou nulle).
  • Incompressible ou compressible : selon les variations de masse volumique du fluide avec la pression pour un écoulement donné.
  • Laminaire ou turbulent : selon l’importance relative des effets d’inertie par rapport aux effets visqueux,
  • Monophasique ou multiphasique : selon la présence d’un seul ou plusieurs états physiques (liquide / gaz voire solide avec changements de phase possibles).
  • Monoespèce ou multi-espèces : selon le nombre d’espèces chimiques dans le même état physique.
  • Interne ou externe : selon la présence de parois « contenant » l’écoulement ou non
  • Isotherme ou avec transfert thermique : selon l’existence ou non de gradients thermiques au sein de l’écoulement, avec l’ensemble des modes de transfert thermique qui en découlent.

La première étape d’une étude CFD va donc consister à déterminer le type d’écoulement concerné, puis de choisir les modèles appropriés. Notons qu’il peut par ailleurs exister différentes approches de modélisation pour un type d’écoulements, comme c’est par exemple le cas pour la turbulence. Là encore il s’agit de choisir l’approche la plus adaptée pour répondre à la problématique posée.

Quelles différences existe-t-il entre une étude aéraulique et une étude hydraulique ?

Une autre approche pour classifier les problèmes de mécanique des fluides auxquels nous apportons des réponses peut être de distinguer ceux impliquant principalement des gaz, ou des liquides, ou les deux. Bien qu’un peu simpliste, cette classification distingue ainsi :

A travers ses 15 années d’existence, OptiFluides a pu réaliser des projets sur les différentes typologies d’écoulements présentées ici, et acquérir une expérience reconnue pour les modélisations complexes.

Un sujet lié à l’écoulement des fluides qui vous pose problème ? Prenez le temps de nous contacter et nous déterminerons ensemble quel accompagnement nous pouvons vous fournir !

Les études CFD

Quelle est la durée moyenne d'une étude CFD ?

La durée moyenne (et le budget) d’une étude CFD dépendent de la complexité du modèle demandé, du nombre de scénarios à traiter, et des éléments nécessaires à l’étude déjà disponibles (CAO, connaissance des conditions d’entrée…).

Certaines études relativement simples peuvent être réalisées sous 1 semaine, tandis que certains projets plus complexes nécessitent des programmes de travail s’étalant sur plusieurs années.

Un ordre de grandeur raisonnable pour la plupart des problèmes traités est d’un ou deux mois, avec la possibilité de mobiliser des moyens plus importants pour les cas urgents.

Quelle précision peut-on obtenir ?

La précision des études CFD dépend de la complexité du problème, de la qualité du modèle et du niveau de vérification et validation réalisées.

Globalement, pour des problèmes simples tels que des calculs de perte de charge dans des conduites ou de répartition de débits, l’erreur peut être inférieure à 5%. Pour des problématiques plus complexes, impliquant des écoulements très turbulents, multiphasiques, avec des phénomènes rapides et complexes (cavitation, vortex induced vibrations…), l’erreur dépendra à la fois du degré de vérifications réalisées – selon les exigences et le budget du client, de la qualité des données d’entrée, et des résultats de référence à disposition pour la quantifier.

Les erreurs peuvent provenir de la qualité du maillage, mais aussi des choix de modèles physiques (turbulence, compressibilité, prise en compte de la thermique…) et des conditions aux limites.

Pour s’en prémunir, la norme V&V (pour Verification and Validation) développé notamment par l’ASME donne un cadre pour :

  1. La vérification, c’est-à-dire la maîtrise de l’erreur numérique, notamment par les étapes de convergence en maillage et de convergence numérique du calcul.
  2. La validation, c’est-à-dire la maîtrise de l’erreur de modélisation, par la comparaison à des données expérimentales issues de manipulations ou de la bibliographie.

Dans l’industrie, une erreur de 10% est généralement considérée comme acceptable, bien que dans l’absolu, cette valeur n’ait pas vraiment de sens. En effet, pour certains écoulements complexes, une réponse avec une erreur de 50% sera considérée comme excellente (car problème très complexe, avec peu de connaissances initiales), alors qu’il est possible d’atteindre des niveaux de 2-3% sur d’autres problématiques.

Ai-je besoin d'une étude CFD pour mon projet ?

Cela va dépendre du problème. Globalement, si l’un ou plusieurs des points suivants est vérifié, une étude CFD peut être pertinente :

  1. Le problème est physiquement complexe : étude analytique impossible
  2. Les corrélations existantes sont inadaptées : pas de lois empiriques ou issues d’essais disponibles
  3. L’expérimental est trop coûteux ou impossible ou insuffisant : on pourra s’appuyer sur des données issues de la bibliographie si les modèles sont complexes et appellent à une validation.
  4. Des informations locales détaillées sont nécessaires : identifier des zones de recirculation, de points chauds, connaître les champs de vitesses détaillés…

Comme évoqué plus haut, proposer systématiquement une étude CFD n’est pas la bonne approche : dans la mesure du possible, si une réponse analytique et suffisamment prédictive existe, elle sera priorisée. De même, si une précision importante est requise et que les modèles physiques sont complexes, une étude CFD sans validation expérimentale s’avèrera peu exploitable. Enfin, pour certains cas, une réponse par une approche semi-analytique (modèle analytique enrichi par des résultats de simulation) peut également représenter un très bon compromis.

Le mieux pour répondre à cette question reste de discuter ensemble de votre problème.

Quels logiciels sont utilisés ?

Les logiciels utilisés dépendent du problème à traiter. Il existe une multitude de méthodes numériques (Volumes Finis – FVM, Smoothed particle hydrodynamics – SPH, Lattice Boltzmann – LBM, Différences finies – FDM, méthodes spectrales, formulations mixtes…) donnant autant de logiciels possibles. Nous avons effectué une revue non exhaustive de quelques logiciels de CFD.

Pour un même problème, dans la plupart des cas, différents logiciels et différentes méthodes mèneront à une solution similaire. Le point principal est alors de bien maîtriser le logiciel, et particulièrement les limites d’utilisation des modèles, en mettant en œuvre les bonnes pratiques de V&V – Vérification & Validation.

Certains problèmes plus spécifiques ne pourront être adressés qu’avec certaines méthodes numériques et logiciels. On peut citer par exemple le couplage fluide/structure, la recherche de niveaux de précision particulièrement élevés ou les écoulements granulaires.

Contactez-nous

Pour en savoir plus sur le calcul numérique en mécanique des fluides.