Simulation de la mécanique des fluides numérique

La CFD (Computational Fluid Dynamics) permet de simuler la mécanique des fluides tels que les liquides et les gaz, ainsi que des particules en suspension et des mélanges de ces éléments. Le comportement des fluides est décrit par des modèles tels que les équations de Navier-Stokes et la méthode Boltzmann sur réseau, avec des variables comme la pression, la densité, la viscosité de volume, la viscosité dynamique, la vitesse et l'accélération. Dans de nombreux scénarios, les équations de la mécanique des fluides n'ont souvent pas de solution analytique connue, en particulier pour les comportements complexes tels que la turbulence. Par conséquent, une simulation CFD est nécessaire pour les résoudre.

La résolution des équations d'écoulement des fluides n'est pas anodine : il n'existe pas de solution analytique générale connue aux équations de Navier-Stokes, ce qui signifie que des techniques numériques doivent être utilisées. Au départ, les méthodes des éléments limites, des éléments finis ou des différences finies faisaient partie des techniques de simulation CFD les plus courantes. Cependant, les méthodes des volumes finis ont gagné en importance au cours des 20 dernières années et sont désormais la norme. Plus récemment, les méthodes Boltzmann sur réseau sont également devenues des options viables grâce à un matériel de plus en plus performant.

Comme aucune méthode de simulation CFD n'est la meilleure pour toutes les applications, les ingénieurs doivent choisir l'outil adapté à chaque flux de travail industriel.

La méthode couplée Euler-Lagrange et l'hydrodynamique des particules lissées (SPH) sont idéales pour les problèmes d'interaction fluide-structure (FSI) hautement couplés tels que les systèmes hydrauliques non compressibles. Ces méthodes sont mises en œuvre dans SIMULIA Abaqus/Explicit.

Le solveur en volumes finis convient mieux aux écoulements permanents ou modérément transitoires tels que ceux présents dans les tuyaux, les échangeurs thermiques, les pompes et les applications CVC. Cette méthode est utilisée dans SIMULIA Fluid Dynamics Engineer (FMK).

En tant que technique transitoire, la méthode Boltzmann sur réseau (LBM) est plus adaptée aux écoulements hautement transitoires tels que l'aérodynamique et l'aéroacoustique. Elle permet de gérer des modèles très exigeants en termes de complexité géométrique et de détails. La technologie LBM peut également être efficace pour les applications multiphases gérant des modèles complexes pouvant même inclure des pièces en mouvement arbitraire. Dassault Systèmes SIMULIA propose deux produits LBM. SIMULIA PowerFLOW est idéal pour les scénarios aérodynamiques, acoustiques et de salissures courants dans les industries aérospatiale et automobile. SIMULIA XFlow est généralement utilisé pour les problèmes multiphases à déplacements complexes tels que la lubrification, le ballottement et certaines applications de l'industrie de la santé.

Les deux méthodes représentent des solveurs CFD performants, mais elles utilisent des approches différentes et n'offrent pas les mêmes avantages. Les méthodes de Navier-Stokes traitent le fluide comme un continuum, tandis que la méthode Boltzmann sur réseau le traite comme un ensemble de particules discrètes.

Pour résoudre les équations de Navier-Stokes par le calcul, l'espace physique à simuler est divisé en plusieurs petits sous-domaines appelés volumes de contrôle ou cellules. Les équations sont discrétisées dans les cellules, et l'ensemble d'équations algébriques qui en résulte est résolu de manière itérative afin de déterminer la pression, la vitesse, la température (et d'autres quantités physiques) dans chaque cellule pour des écoulements permanents ou transitoires. D'autres équations de transport discrétisées peuvent être résolues de la même manière pour représenter d'autres phénomènes physiques tels que la turbulence et les espèces chimiques.

La méthode de simulation CFD Boltzmann sur réseau suit le mouvement microscopique des particules de fluide dans un espace et un temps discrets afin de simuler l'écoulement des gaz et des liquides. L'espace fluide est automatiquement discrétisé en voxels cubiques et les limites en surfels, ce qui élimine la nécessité de générer une grille de surface et de volume conventionnelle. L'approche VLES (Very Large Eddy Scale) de la modélisation de la turbulence garantit une capture haute fidélité des structures de fluides anisotropiques, ce qui est essentiel pour les flux de travail aérodynamiques et aéroacoustiques.

Oui, plusieurs techniques de calcul haute performance (HPC) peuvent faciliter la simulation CFD. L'accélération GPU rend le processus de simulation plus rapide et permet de prendre en charge des modèles plus grands et plus complexes sur un seul poste de travail. Un seul processeur graphique (GPU) peut avoir la puissance de plus d'un millier de cœurs de CPU : les GPU permettent donc de réduire les coûts matériels et de mettre en œuvre le calcul HPC sur un ordinateur de bureau. L'accélération multi-GPU offre une rapidité encore supérieure en permettant de résoudre des scénarios extrêmement vastes ou complexes, impossibles à simuler autrement. Tous les codes CFD peuvent tirer parti du GPU, mais ce dernier est particulièrement efficace pour la simulation par la méthode Boltzmann sur réseau (LBM).

Le calcul en cluster permet de simuler des scénarios encore plus importants. Le cloud offre un meilleur contrôle des processus de simulation par lots. Il est disponible sur site et en ligne. Le cloud sur site utilise du matériel géré par l'entreprise de l'utilisateur, tandis que le cloud en ligne envoie les données à des serveurs sécurisés pour traitement. Le cloud en ligne est une bonne option pour les utilisateurs ayant des besoins de simulation irréguliers ou périodiques, puisqu'il évite d'investir dans du matériel qui ne serait utilisé qu'occasionnellement.