Introduction à la Dynamique des Fluides Numérique (CFD)

En ingénierie contemporaine, les techniques de simulation en Dynamique des Fluides Numérique (CFD) représentent une technologie majeure.

En tant qu’une des méthodes de l’Ingénierie Assistée par Ordinateur (IAO), elle offre aux ingénieurs une solution de choix pour résoudre des problématiques complexes. Elle permet une analyse approfondie dans le but d’aboutir à des prédictions des plus précises, caractéristiques de l’écoulement des fluides ou du transfert thermique. Grâce à des ordinateurs à haute performance, ces simulations facilitent la compréhension des interactions complexes au sein des systèmes de liquides ou de gaz.

Cet article explore les bases techniques de la CFD ou Dynamique des Fluides Numérique, son importance et présente des exemples concrets de leur application. Si vous envisagez d’adopter des innovations, soyez assuré que nos experts chez ASHO Engineering vous accompagnerons dans la réduction vos coûts et l’optimisation de vos processus.

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Écoulement Des Fluides Vs Dynamique des Fluides: Différences?

1. Écoulement des Fluides

Que ce soit du kérosène dans le moteur d’un avion, du gaz dans des turbines industrielles, de l’air dans l’atmosphère ou encore du sang dans les vaisseaux sanguins, le mouvement d’un liquide ou d’un gaz d’un endroit à un autre est appelé écoulement de fluides.

En termes plus techniques, l’écoulement des fluides désigne le déplacement des particules contenues dans un liquide ou un gaz d’un point à un autre dans l’espace.

Ce mouvement de matière peut être caractérisé par des éléments tels que le débit, le trajet ou encore la vitesse.

Le débit représente la quantité de fluide déplacée sur une période donnée.

La vitesse, quant à elle, correspond à la rapidité à laquelle les particules se déplacent en un point précis de l’écoulement. Il est essentiel de souligner la notion de “point précis”, car cette vitesse n’est pas toujours uniforme à chqaue niveau du flux et peut varier en fonction du type d’écoulement.

En effet, le type d’écoulement d’un fluide est déterminé par deux facteurs principaux:

D’un côté la Configuration du Système en lui-même (l’endroit où le fluide se trouve).

De l’autre côté, les Forces Externes appliquées au fluide.

À partir de ces critères, nous pouvons distinguer deux grands types d’écoulements :

• L’écoulement laminaire, généralement observé dans un fluide à viscosité élevée, se caractérise par sa fluidité et le mouvement parallèle des particules, avec peu ou pas de mélange entre les différentes couches.
• L’écoulement turbulent, généralement observé dans des fluides à faible viscosité, se distingue par un mouvement chaotique et irrégulier, accompagné d’un mélange constant entre les différentes couches du liquide/gaz.

2. Dynamique des Fluides

La dynamique des fluides, quant à elle, englobe non seulement les concepts d’écoulement des fluides mentionnés précédemment, mais également plusieurs autres paramètres mathématiques et mécaniques, tels que l’analyse des forces et des pressions entre autres.

Cette combinaison de plusieurs paramètres variables fait de la prévision du mouvement d’un fluide une tâche complexe. Heureusement, la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) a rendu le traitement de ces équations complexes nettement plus accessible. Ses techniques de simulation permettent d’effectuer des calculs avancés qui prennent à la fois en compte tous ces paramètres variables afin de prédire le comportement des fluides dans des conditions spécifiques avec la plus grande fiabilité possible.

Les conditions aux limites, telles que la forme du canal et la rugosité de la surface, ainsi que les forces externes, comme la gravité et les gradients de pression, jouent également un rôle critique. Les propriétés spécifiques du fluide, telles que la viscosité et la densité, influencent directement la transition entre un écoulement laminaire et turbulent, ajoutant à la complexité de la dynamique des fluides.

Parmi les nombreux paramètres à prendre en compte, d’une part figurent des principes physiques tels que :

• La Conservation de la masse, décrite par l’équation de continuité.
• La Conservation de la quantité de mouvement, formulée à travers les équations de Navier-Stokes.
• La Conservation de l’énergie, illustrée par l’équation de Bernoulli.

Et d’autre part, les conditions aux limites telles que :

• Les Conditions Limites Dynamiques, liées à la viscosité du fluide en mouvement.
• Les Conditions Limites Cinématiques, associées aux propriétés physiques de la paroi le long de laquelle le fluide s’écoule.

Qu’est-ce que la dynamique des fluides numérique (CFD) ?

Comme son nom l’indiquerait pour un prophane, la Dynamique des Fluides Numérique (CFD) est un ensemble de processus informatiques conçus pour imiter numériquement le comportement des fluides; liquide ou gaz (tels que l’eau ou l’air par exemple) et leurs interactions avec les éléments de leur environnement. Ce processus est réalisé par des ingénieurs ou autres experts au moyen de logiciels spécialisés en Dynamique des Fluides Numérique, tels que SolidWorks, Ansys, SimScale et AutoDesk, pour n’en citer que ceux-là.

Grâce à ces outils CFD, les ingénieurs peuvent créer des modèles 3D virtuels pour simuler des situations réelles. Cela peut inclure l’analyse de l’écoulement de l’air autour d’une voiture roulant à grande vitesse, le mouvement de l’eau dans un conduit ou le transfert de chaleur à l’intérieur d’une pièce d’équipement industriel. Ces analyses CFD fournissent aux différents experts des informations fiables pour optimiser un produit, même avant la concetion d’un prototype.

Animés par la passion et un désir d’innovation, chez ASHO Engineering, nous vous offrons la pleine valeur des techniques CFD, minutieusement adaptées à vos besoins spécifiques. Si vous souhaitez atteindre vos objectifs avec nous, contactez-nous.

Pourquoi utiliser la dynamique des fluides numérique (CFD) ?

Les Origines des Techniques de simulation CFD remontent aux années 1950. Depuis lors, et avec l’avènement des ordinateurs de plus en plus performants, ces techniques de simulation n’ont eu de cesse d’évoluer. À tel point qu’aujourd’hui, cette technologie occupe une place prépondérante dans de nombreux secteurs industriels. Plusieurs raisons que l’on peut résumer comme suit, expliquent l’adoption croissante de la Dynamique des Fluides Numérique:

• Le besoin croissant d’affiner la conception des produits et de gagner du temps
• Réduire les coûts de développement des produits
• Accroître la capacité d’innovation
• Mieux gérer les risques liés aux équipements

1. Affiner la conception des produits et gagner du temps

Le Développement de Produits est un processus complexe. Il se déroule en plusieurs étapes depuis l’idée jusqu’au lancement dudit produit sur le marché, et inclut l’étape essentielle du prototypage.

La réalisation de prototype(s) permet aux ingénieurs et autres spécialistes de d’éffectuer des tests dans des conditions réelles et de recueillir des informations sur la performance du produit, son ergonomie et sa conception de façon générale. Selon sa nature, un produit peut nécessiter plusieurs phases de prototypage avant d’être prêt pour une mise sur le marché.

Grâce aux outils de la Dynamique des Fluides Numérique, une grande partie des tests réels peuvent être réalisée virtuellement, grâce aux différents processus de simulation. Cela permet de gagner du temps dans le développement des produits et d’affiner le prototype avant même sa fabrication.

Par exemple, la CFD peut être employée pour ajuster des éléments aussi mineurs tels que la forme des pare-chocs ou des rétroviseurs, afin d’étudier la traînée dans chaque cas et ainsi améliorer l’efficacité énergétique d’une voiture, le tout virtuellement.

2. Réduire les coûts de développement de produits

Comment sus-mentionné, en ingénierie, le processus de développement d’un produit implique généralement la production d’un ou plusieurs prototypes. L’objectif est d’obtenir un prototype final optimal qui servira de modèle pour la fabrication du produit final à commercialiser.

Grâce à la CFD, plusieurs phases de tests peuvent être réalisées virtuellement. Cela réduit le nombre de prototypes à fabriquer avant le prototype final, assurant ainsi une réduction des coûts de développement du produit. Surtout lorsqu’on sait que la conception de prototypes physiques peut nécessiter d’importantes ressources financières.

3. Accroître la capacité d’innovation

Il est bien connu que l’innovation a un coût élevé. Un nouveau produit nécessite des dépenses importantes, notamment en raison de la durée prolongée des phases de tests lorsqu’on explore des territoires inconnus. De plus, les produits doivent être conformes aux normes et standards en vigueur. La simulation en Dynamique des Fluides Numériques augmente les possibilités d’innovation, car elle facilite l’exploration de nouveaux concepts sans être limité par les contraintes d’un processus de développement traditionnel.

Par exemple, elle permet aux ingénieurs de créer des modèles de prototypes virtuellement et de les tester en simulation dans des conditions très proches de la réalité.

4. Mieux gérer les risques liés aux équipements

En identifiant les problèmes potentiels dès les premières étapes du processus de conception, la simulation CFD permet aux ingénieurs d’éviter des erreurs aux conséquences potentiellement coûteuses. Les outils de la Dynamique des Fluides Numériques permettent d’analyser des scénarios complexes beaucoup plus facilement et plus rapidement que les méthodes traditionnelles.

Par exemple, elle peut être utilisée pour étudier le comportement d’équipements soumis à des conditions extrêmes, difficiles à tester physiquement. Cela peut inclure l’effet de conditions atmosphériques ou météorologiques sévères, de vitesses élevées, de pressions ou de températures extrêmes sur un système artificiel ou un composant particulier du système.

04 Exemples pratiques d’application de la dynamique des fluides numériques

1. La dynamique des fluides numériques dans le secteur aéronautique

La CFD, Dynamique des Fluides Numériques est particulièrement utile dans le secteur aéronautique. Elle permet d’améliorer la conception et la sécurité des aéronefs, tels que les avions de ligne. Les ingénieurs utilisent cette technologie afin d’étudier l’aérodynamique des avions ou autres objets volants. Vous conviendrez avec moi, qu’Il serait en effet difficile d’analyser en conditions réelles les performances d’un avion de ligne, rempli de passagers et soumis à des conditions extrêmes; ou inconcevable d’attendre la survenue d’accidents de vol avant d’étudier les possibilités d’amélioration de la sécurité des passagers. La simulation assistée par ordinateur permet d’étudier ces situations des plus extrêmes, dans le but de produire des équipements toujours plus efficaces et fiables.

Dans le cas des aéronefs, de nombreux composants clés peuvent être améliorés par la simulation. Il s’agit notamment des éléments tels que les géométries spécifiques des ailes, les hélices et turbines, ainsi que les systèmes de dégivrage et de refroidissement des moteurs.

En étudiant la structure des ailes d’un avion, les ingénieurs analysent son aérodynamisme, en se concentrant sur l’efficacité énergétique (plus de sécurité et moins de carburant). En travaillant sur des facteurs tels que l’angle d’attaque, il est possible d’optimiser la portance et de minimiser la traînée.

Cependant, l’efficacité énergétique des avions ne dépend pas seulement de la géométrie des ailes. La performance des turbines et des hélices est également cruciale. Des simulations sont réalisées en modélisant le flux d’air en contact avec les différents composants. L’intensité des forces exercées sur les pales, la pression subie et la turbulence générée fournissent nombres d’informations précieuses pour optimiser l’aérodynamisme global des aéronefs.

L’efficacité énergétique des avions est une priorité, mais la sécurité des passagers est encore plus importante. La surchauffe ou la défaillance des systèmes de dégivrage peut compromettre la sécurité de l’avion et, par extension, de ses passagers. Dans ce contexte, toute méthode permettant de tester en toute sécurité le fonctionnement des aéronefs dans des conditions extrêmes constitue un atout majeur. Ces techniques informatisées ont ouvert la voie à toutes ces possibilités, limitées uniquement par l’expertise des ingénieurs qui les utilisent.

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2. La dynamique des fluides numérique pour une meilleure gestion des risques liés aux équipements

Comme dans le secteur précédent, les processus de simulation sont de plus en plus intégrés, permettant des approches qui étaient auparavant inaccessibles. Dans l’industrie moderne, la Dynamique des Fluides Numériques a connu un développement rapide, et grâce à cette avancée technologique, la conception de certains types de véhicules est désormais possible pour les ingénieurs.

Il est désormais possible pour les ingénieurs de :

• Réduire les coûts de fabrication en optimisant les conceptions avant la production.
• Analyser l’impact des conditions extérieures sur les différents composants du véhicule.
• Améliorer les composants du véhicule pour minimiser la traînée et la portance.
• Optimiser la régulation thermique du moteur.
• Et éviter tout risque d’incendie ou de dysfonctionnement en étudiant les mouvements des différents fluides à l’intérieur des conduits du véhicule, à mesure qu’ils chauffent lorsque le moteur est en fonctionnement Etc.

3. La dynamique des fluides numérique dans la climatologie et la météorologie

If you’ve ever wondered how meteorologists and climatologists predict weather and climate conditions, you should know that they also use CFD simulations. The principle remains that this method enables complex calculations to be carried out based on available data.

More specifically, this application enables scientists to:

Si vous vous êtes déjà demandé comment les météorologues et climatologues arrivaient à prédire les conditions météorologiques et climatiques, sachez maintenant qu’ils se servent également des simulations CFD.

Le principe de leurs méthodes reste le même, et consiste à effectuer des calculs complexes à partir des données disponibles; pour au final extrapoler le(s) scénario(s) le(s) plus plausible(s) avec le maximum de précision.

Plus précisément, cette application de la technologie CFD permet aux scientifiques de :

• Analyser les conditions atmosphériques dans différentes régions afin de mieux comprendre et prédire leurs variations.
• Optimiser les modèles de prévision et affiner leur précision.
• Analyser des phénomènes naturels complexes, en particulier la formation des ouragans, afin de déterminer leur trajectoire et leur intensité. Grâce à cette anticipation, les risques liés aux catastrophes naturelles peuvent être considérablement réduits.
• Analyser la qualité de l’air, en prévoyant la dispersion des polluants dans l’atmosphère et leur impact à court et moyen terme.

4. La Dynamique des Fluides Numérique dans le Secteur de la Santé et du Biomédical

Avec le développement de logiciels et d’ordinateurs toujours plus performants, les applications de la Dynamique des Fluides Numérique dans le secteur biomédical se multiplient. Grâce à des simulations techniques, des modèles 3D de tout ou parties du corps humain ont permis de mieux comprendre les mouvements des fluides à l’intérieur de l’organisme.

Que ce soit pour analyser le déplacement des liquides ou de l’air, suivre la bio-cinétique des médicaments et autres substances à l’intérieur à l’intérieur de nos organes, concevoir des dispositifs médicaux ou planifier des interventions chirurgicales, les simulations CFD ont ouvert la voie à des possibilités inimaginables il y a encore quelques années.

Voici quelques exemples d’applications de la Dynamique des Fluides Numérique dans ce secteur:

• Systèmes de libération de médicaments: Optimiser la dispersion et l’absorption des substances actives grâces à des équipements adaptés.
• Analyse du flux sanguin: Concevoir des stents et des valves artificielles pour les patients atteints de pathologies cardiovasculaires sévères.
• Développement de dispositifs médicaux adaptés tels que les ventilateurs et les machines de dialyse.
• Biomechanique: Améliorer des prothèses et des implants destinés à remplacer un membre perdu, restaurer la mobilité, et offrir une meilleure qualité de vie aux patients.
• Ingénierie tissulaire: Recréer des tissus in vitro en combinant des structures de support, des cellules natives et des molécules bioactives, en reproduisant des processus biologiques naturels de l’organisme vivant.
• Diagnostics non invasifs: Effectuer des diagnostics virtuels par des simulations pour évaluer l’état des patients.
• Contrôle des infections: Modéliser par exemple, la propagation des pathogènes dans des établissements de santé ou dans une région afin de mieux la contrôler.
• Santé publique : Simuler de la dispersion des contaminants pour mieux répondre aux épidémies.

L’importance de la simulation CFD est désormais bien établie. Sa polyvalence la rend facilement adaptable à presque tous les domaines de recherche et de développement. Basée sur l’analyse de la Dynamique des Fluides, elle permet d’optimiser les conceptions et leurs performances, de réduire les coûts, de rendre plus accessible l’innovation et d’assurer une meilleure gestion des risques liés aux équipements.

De nombreusx secteurs connaissent une croissance sans précédent grâce à l’intégration des techniques de simulation dans leurs processus. Parmi elles, on retrouve l’aérospatial, l’automobile, la climatologie et la météorologie, ainsi que le secteur biomédical, pour ne citer que ceux-là.

Bien qu’elle constitue déjà une révolution dans le domaine du développement de produits, cette technologie n’en est encore qu’à ses débuts. Le champ des possibles reste donc immense.

Quel que soit le secteur d’activité, l’essor de la technologie de la Dynamique des Fluides Numérique a ouvert de nombreuses opportunités. Lorsqu’elle est utilisée par des professionnels, les meilleurs résultats sont garantis. Pour plus d’informations sur les avantages de l’Ingénierie Assistée par Ordinateur (IAO) pour vos projets, n’hésitez pas à consulter notre article introductif à l’IAO – Ingénierie Assistée par Ordinateur.

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