L'analyse CFD permet aux ingénieurs de visualiser, de tester et d'analyser leurs conceptions de produits pour les problèmes d'écoulement de fluide, de transfert de chaleur, de turbulence, de matériaux non newtoniens, etc.
La technologie a permis aux organisations et aux ingénieurs de calculer facilement leur efficacité de conception à tout moment et dans toutes les conditions de manière virtuelle. En conséquence, il économise du temps, des efforts et de l'argent.
Mais le processus n'était pas si simple avant. Des tests physiques coûteux étaient le seul moyen de résoudre des problèmes pratiques avant que la simulation ou l'analyse CFD n'entrent en jeu. Cela impliquait des tests rigoureux utilisant des prototypes avec de nombreux rappels et échecs.
Outre les tests, vous devez résoudre les problèmes rapidement pour passer la conception en production. Le logiciel d'analyse CFD vous aide dans ce domaine, et c'est ce dont je vais parler dans cet article.
Alors, commençons.
Qu'est-ce que CFD ?
La dynamique des fluides numérique (CFD) est une partie de la mécanique des fluides qui utilise des structures de données et des calculs numériques pour analyser et résoudre les problèmes d'écoulement des fluides (gaz et liquides) tels que les compositions chimiques, la densité et la vitesse.
Et l'outil pour effectuer une analyse CFD et résoudre les problèmes d'écoulement de fluide est le logiciel CFD. Il garantit que les meilleurs concepts de flux sont utilisés dès les premières étapes de la conception du produit pour permettre aux composants de fonctionner efficacement dans diverses conditions.
La CFD facilite l'analyse de problèmes complexes d'écoulement de fluide impliquant des interactions liquide-gaz, fluide-solide ou fluide-fluide. Il utilise des solveurs avancés pour transformer les lois physiques des équations aux dérivées partielles en équations algébriques et les résoudre efficacement.
Les ingénieurs et les analystes utilisent des ordinateurs pour effectuer ces calculs afin de simuler le fluide qui s'écoule librement et son interaction avec les surfaces. À l'aide d'ordinateurs ou de superordinateurs sophistiqués, vous pouvez obtenir des solutions précises à grande vitesse, même pour les problèmes les plus complexes.
La CFD est utilisée dans divers domaines, tels que :
- Ingénierie aérospatiale pour simuler l'aérodynamique des aéronefs, écoulement turbulent/laminaire, écoulement compressible/incompressible, conception de voilure, machines tournantes, etc.
- Fabrication électronique comme la simulation de batterie, le refroidissement, etc.
- Chauffage, ventilation et climatisation (CVC)
- Automobiles pour simuler l'aérodynamique des pièces automobiles, des tuyaux et des soupapes
- Prévention de la cavitation
- Équipements sportifs et bien plus encore
Comment fonctionne l'analyse CFD ?
En général, l'analyse CFD comprend trois phases principales :
Pré-traitement: C'est alors que le problème d'écoulement de fluide se transforme en un modèle informatique discret et idéal. Les ingénieurs et les analystes font quelques hypothèses basées sur le type d'écoulement, telles que compressible, incompressible, stable, transitoire, visqueux, non visqueux, etc. Ils créent également un maillage et appliquent des conditions aux limites sur les surfaces en interaction.
Résolution : L'analyse CFD utilise des solveurs puissants qui effectuent des calculs réels sur des problèmes ou des équations d'écoulement de fluide et apportent des solutions précises et rapides.
Post-traitement: Les analystes visualisent et analysent les résultats dans la phase finale pour conclure sous forme de tableaux, de graphiques, d'images animées, etc.
Quels sont les avantages de l'analyse CFD ?
L'analyse CFD est bénéfique dans le développement de produits à bien des égards :
# 1. Opérationnelle
L'analyse et la résolution d'équations complexes prendraient énormément de temps si elles étaient effectuées manuellement à l'aide de tests et de calculs conventionnels. Mais le logiciel d'analyse CFD peut résoudre des équations d'écoulement de fluide complexes avec une vitesse et une précision élevées, vous permettant d'économiser des efforts et du temps.
# 2. Plus de flexibilité
Vous pouvez mesurer des quantités limitées à la fois par des moyens manuels. Cependant, l'analyse CFD vous permet de mesurer toutes les grandeurs physiques que vous souhaitez simultanément avec des résolutions élevées grâce à une puissance de calcul exceptionnelle. Il permet de déplacer rapidement votre conception vers les tests physiques et la fabrication.
# 3. Commentaires pratiques
Les ingénieurs peuvent créer des conceptions et tester l'efficacité avant la construction à l'aide de l'analyse CFD. Il vous permet de modifier facilement la forme, la structure, la taille, l'échelle, etc. de votre modèle dans le logiciel et de finaliser le plus efficace.
# 4. Expérience du monde réel
La simulation comprend divers phénomènes et conditions du monde réel tels que le mouvement du vent, la gravité, la vitesse de la lumière, etc. Par conséquent, vous pouvez générer des conditions environnementales et tester vos conceptions par rapport à ces conditions pour comprendre leurs performances et leur comportement.
Examinons maintenant certains des meilleurs outils d'analyse CFD du marché.
Autodesk CFD
Autodesk CFD est un très bon logiciel de simulation CFD pour les analystes et les ingénieurs pour prédire intelligemment le débit et le comportement des gaz et des liquides. Il permet de minimiser les exigences pour différents prototypes physiques afin d'obtenir des informations approfondies sur un écoulement de fluide pour les performances de conception.
Vous obtenez de nombreuses fonctionnalités dans ce logiciel CFD et des outils de simulation thermique qui fonctionnent avec des performances optimales. L'utilisation de l'outil vous permet de comparer les conceptions pour comprendre le comportement des fluides à l'intérieur avant de passer à la production. De plus, vous pouvez améliorer la répartition de la pression pour les applications de contrôle de débit et résoudre les équations pour tous les modèles de transfert de chaleur, de solide à solide ou de solide à fluide.
Autodesk CFD vous permet de le connecter à Fusion 360 pour permettre la modification et la simplification de la CAO. Vous pouvez également utiliser l'automatisation et la géométrie du maillage pour le dimensionnement du maillage et exécuter plusieurs analyses sur des serveurs HPC, à distance ou localement pour résoudre de grands modèles avec flexibilité.
Le logiciel vous permet d'optimiser la conception pour une meilleure efficacité du bâtiment pour les applications MEP et architecturales. Vous pouvez également simuler une interface entre les gaz et les liquides, modéliser divers phénomènes d'écoulement tels que le déversement, le ballottement et les vagues, et développer des équations personnalisées pour obtenir des résultats visuels.
D'autres fonctionnalités que vous pouvez trouver sur Autodesk CFD sont les connexions CAO, la simulation des performances des composants du dissipateur thermique et le traçage des particules pour mieux comprendre les directions d'écoulement et les circulations. Il permet également le mélange scalaire, la modélisation du rayonnement, l'analyse des dispositifs rotatifs et la modélisation de la condensation et de l'humidité.
En dehors de cela, l'analyse des charges de chauffage solaire et de la visibilité de la fumée, une interface utilisateur personnalisable et propre, des résultats basés sur les données et des scripts d'automatisation via un API sont également des fonctionnalités précieuses dans ce logiciel CFD.
SimScale
SimScaleLe logiciel CFD de est basé sur le cloud et vous permet de tester, valider, optimiser et itérer vos conceptions via une simulation en ligne. Il active tous les processus dans un navigateur Web, vous n'avez donc pas à vous battre avec une puissance de calcul limitée, des coûts élevés et une accessibilité.
Comme les simulations transitoires nécessitent plus d'argent et de temps pour produire des résultats précis, le logiciel CFD de SimScale résout ce problème. Cette GPULe solveur basé sur Méthode Lattice-Boltzmann (LBM) pour offrir une grande précision et une vitesse inégalée.
Ils ont également collaboré avec Numeric Systems GmbH pour créer cette fonctionnalité prête à l'emploi à l'aide de Pacefish.
En conséquence, les temps de simulation transitoires sont passés de jours et de semaines à des minutes et des heures. De plus, le logiciel fonctionne sur plusieurs GPU en parallèle et offre des délais de traitement 20 à 30 fois plus courts que les processus standards.
SimScale prend en charge plusieurs types de modélisation de turbulence tels que Smagorinsky, k-omega SST, Hybrid SST-IDDES et SST-DDES. Comme la compressibilité des fluides est une considération vitale, l'outil prend en charge les simulations de fluides compressibles et incompressibles avec précision pour vous aider à concevoir et à développer des produits de manière plus sûre et de qualité.
Le logiciel CFD de SimScale peut résoudre des équations complexes d'écoulement de fluide avec des méthodes numériques précises. Par conséquent, il est applicable à la conception de composants d'avions, de profils aérodynamiques, de conduits, de vannes, etc.
Il fonctionne également pour les écoulements turbulents et laminaires en plus des simulations transitoires et stables. Par conséquent, il est utile pour concevoir des tuyaux, des séparateurs de propagation de fumée, des salles blanches et des cyclones.
Le logiciel offre des capacités de simulation thermique, de modélisation d'écoulements multi-espèces ou multiphasiques à l'aide de la méthode Volume of Fluid (VoF). Il utilise également le solveur OpenFOAM pour analyser deux fluides ne se mélangeant pas comme l'eau et l'huile, utiles pour l'ingénierie des procédés et les applications marines.
Exécutez des simulations en régime permanent à l'aide de plusieurs cadres de référence (MRF) ou de conditions aux limites rotatives ainsi que des simulations transitoires avec Arbitrary Mesh Interface (AMI). Vous pouvez également simuler et évaluer le mouvement d'un corps solide impliquant 6 degrés de liberté (DoF), adapté à la construction navale et aux conceptions de tuyaux.
Ansys
Tout ingénieur de conception doit avoir utilisé ou au moins entendu parler de Ansys qui offre d'excellents outils de simulation CFD pour vous aider à prendre de meilleures décisions plus rapidement. Leurs simulations CFD fournissent des résultats précis et une puissance de calcul élevée et ont été validées pour leur qualité.
Les outils CFD sont intuitifs et puissants pour vous aider à améliorer la sécurité et les performances de votre produit tout en réduisant les efforts et le temps de développement. En outre, ils garantissent peu ou pas d'erreurs et offrent la grande possibilité d'innover et de produire des produits optimisés à l'aide de solveurs efficaces et de qualité industrielle.
Que vous recherchiez des moyens d'effectuer des simulations de givrage en vol efficaces ou de maximiser l'efficacité du moteur à combustion interne (IC), Ansys a des outils pour vous aider. Ils sont conviviaux et avancés pour vous faire gagner du temps et vous aider à augmenter votre productivité.
Certains des produits CFD qu'ils proposent sont :
- Ansys maîtrise parfaitement la modélisation avancée avec une grande précision
- Ansys CFX pour une vitesse, une robustesse et une précision exceptionnelles dans les applications de turbomachines
- Ansys Chemkin-Pro est un outil CFD haut de gamme pour la modélisation de systèmes complexes à réaction chimique
De plus, ils fournissent d'autres outils connexes, tels que Ansys BladeModeler, Ansys Rocky, Ansys Vista TF, Ansys TurboGrid, Ansys Polyflow, Ansys Model Fuel Library, Ansys FENSAP-ICE, Ansys EnSight et Ansys Forte.
OpenFOAM
Publié dans 2004, OpenFOAM est un logiciel de CFD open source et gratuit développé par OpenCFD. Il dispose d'une base d'utilisateurs importante dans le monde entier dans la plupart des régions scientifiques et techniques, y compris des organisations universitaires et commerciales.
OpenFOAM offre de nombreuses fonctionnalités applicables pour résoudre des écoulements de fluides simples à complexes tels que les réactions chimiques, le transfert de chaleur, la turbulence, la mécanique des solides, l'électromagnétisme et l'acoustique.
De plus, la communauté de développeurs d'OpenFOAM continue de contribuer à son développement, et ils incluent également des développements parrainés par les clients pour publier de nouvelles versions tous les 6 mois.
Il est testé indépendamment par les spécialistes des applications d'ESI-OpenCFD, des clients sélectionnés et des partenaires de développement. Ils effectuent rigoureusement vers les tests sur le logiciel d'assurance qualité. Le processus d'évaluation, de validation et de vérification du code comprend des centaines de tests unitaires quotidiens.
CFD Module
Logiciel de modélisation CFD de Consol – Module CFD vous permet de définir des modèles et de les résoudre pour étudier des systèmes à écoulement fluide. Il fonctionne également pour les systèmes contenant une combinaison d'écoulement de fluide et de phénomènes physiques, ce qui signifie qu'il fonctionne à la fois pour les écoulements monophasiques et multiphasiques.
Le module CFD offre des outils pour modéliser les pierres angulaires de différentes analyses d'écoulement de fluide, telles que :
- Écoulements compressibles et incompressibles
- Écoulements turbulents et laminaires
- Écoulement dans des milieux libres ou poreux et des zones ouvertes
- Flux de couche mince
Le logiciel implémente ces capacités via des interfaces de flux de structure pour définir, analyser et résoudre les problèmes de flux en régime permanent et transitoire dans 3D, 2D et 2D axisymétrique. De plus, il offre des fonctionnalités sur mesure pour résoudre les problèmes d'écoulement avec un nombre de Mach élevé, les écoulements non newtoniens et les machines tournantes.
Le module CFD peut modéliser les flux réactifs et conjuguer les transferts de chaleur dans le même environnement pour vous permettre d'analyser simultanément les problèmes de flux. En dehors de cela, il offre davantage de capacités multiphysiques telles que l'interaction fluide-structure, que vous pouvez activer en combinant le logiciel avec d'autres modules Comsol.
Simcenter
Analysez et prédisez les performances des produits dans le monde réel à l'aide de Logiciel de simulation Simcenter CFD par Siemens. Cet outil d'analyse CFD de pointe offre une simulation rapide et précise de divers problèmes d'ingénierie impliquant des fluides, des structures et la physique associée.
Que vous soyez concepteur, ingénieur CFD ou chercheur, le logiciel peut vous aider à analyser des problèmes complexes d'écoulement de fluide et à transformer les connaissances acquises en développement de produits innovants.
Il peut également simuler facilement des problèmes impliquant plusieurs pièces en mouvement et en interaction à l'aide du morphing de maillage, du maillage surdimensionné ou d'une combinaison des deux.
De plus, vous pouvez utiliser des fonctions de maillage mobile pour des simulations stables ou transitoires et des études paramétriques. Cela permet de remplacer ou de repositionner un objet sans effort et d'étudier différentes configurations de conception. Le logiciel Simcenter CFD fournit Lagrangien et Eulérien capacités de modélisation pour répondre avec précision aux différents besoins de simulation.
Sans oublier qu'il s'agit du premier simulateur d'ingénierie commercial qui inclut une fonction DEM avec simulation numérique des flux. Il vous aide à analyser comment les écoulements turbulents interagissent avec les écoulements réactifs pour garantir que le produit fonctionne correctement dans diverses conditions de fonctionnement.
De plus, vous disposez d'une bibliothèque complète contenant des modèles précis pour prédire les sources aéroacoustiques telles que les modèles en régime permanent, DES/LES et les modèles de propagation. Vous pouvez également utiliser des simulations de batterie à l'aide de spécifications géométriques et de performances pour valider la conception de votre batterie Li-ion numérique.
Flowsquare
Un autre logiciel CFD gratuit dans cette liste est Flowcarré – un logiciel CFD bidimensionnel pour analyser les écoulements de fluides instationnaires et non réactifs/réactifs ainsi que les écoulements subsoniques ou supersoniques.
Il offre un environnement pratique pour l'analyse CFD et vise à rapprocher davantage de personnes de cette technologie et à simuler des flux pour nourrir leurs intérêts académiques ou éducatifs.
La plupart des outils CFD commerciaux ont un coût élevé et nécessitent une expertise et de lourdes ressources de calcul. Tout le monde ne peut pas les utiliser, mais Flowsquare est gratuit et conçu pour être facile à utiliser.
Il ne nécessite pas de compétences telles que le maillage, la programmation CAO et le pré/post-traitement. Vous pouvez commencer par dessiner un champ de simulation simple à l'aide de n'importe quel outil de peinture tel que Microsoft Paint.
Définissez le domaine de calcul à l'aide de 1 à 2 images Bitmap et d'un seul fichier texte. Ici, vous pouvez effectuer une visualisation en temps réel et l'enregistrer sous forme de fichiers Bitmap. Il dispose d'outils de visualisation intégrés pour les couleurs, les contours vectoriels, les particules lagrangiennes et les graphiques.
Flowsquare utilise des conditions et des schémas numériques très flexibles, et les données de simulation sont disponibles au format binaire pour le post-traitement. Il est utilisé dans le monde entier par des particuliers, des entreprises et des établissements d'enseignement à des fins multiples.
ParaView
ParaView est un logiciel de visualisation et d'analyse de données multi-plateforme et open-source. Il vous permet de créer rapidement des visualisations et d'analyser leur données à l'aide d'analyses qualitatives et quantitatives méthodes.
Les simulations CFD de ParaView vous permettent d'étudier la portance, la traînée, le flux d'air, etc., pour aider à améliorer l'efficacité de la conception. Il est également capable d'analyser des ensembles de données massifs avec des ressources de mémoire de calcul distribuées. En outre, vous pouvez effectuer une exploration des données de manière interactive par programmation ou en 3D à l'aide des fonctionnalités de traitement par lots du logiciel.
Vous pouvez exécuter ParaView sur des superordinateurs et analyser des ensembles de données péta-échelle ou sur votre ordinateur portable pour analyser des données mineures. Cette polyvalence le rend applicable à différentes industries, universités et laboratoires nationaux. De plus, il a remporté de nombreux prix en raison de ses calculs et de ses performances élevés.
Tirez parti de ParaView pour votre prochain projet et bénéficiez de leurs services avancés et de leurs solutions de R&D. Vous pouvez également rejoindre le Forum ParaView et rester à jour sur les derniers développements. L'outil est excellent pour de nombreux cas d'utilisation, tels que :
- Les outils d'analyse des données climatiques (CDAT) aident les analystes à surveiller, prévoir et suivre les changements climatiques.
- Les simulations CFD aident les équipes aéronautiques à analyser et étudier la portance et la traînée
- Explorer les données immersives de manière intuitive.
- ParaView Catalyst et PHASTA aident à une simulation CFD de contrôle de flux avec une haute fidélité pour les profils d'aile.
- Simulation ALEGRA dans une plaque céramique utilisée dans la pénétration d'un jet de charge creuse
- Le connecteur NVIDIA Omniverse ParaView permet aux scientifiques d'analyser les données climatiques et météorologiques de manière interactive ainsi que leurs effets sur la Terre.
Altair
Que vous souhaitiez effectuer une modélisation CFD avancée ou étudier des effets thermiques ou fluides concernant votre conception, Altair peut vous aider avec ses outils complets. Il fournit plusieurs solveurs évolutifs et un puissant logiciel CFD de pré et post-traitement pour tester les performances complètes du système et analyser les composants en détail.
Altair CFD utilise un solveur Navier-Stokes avec des capacités d'analyse étendues pour le transfert de chaleur, l'écoulement, les matériaux non newtoniens et la turbulence. Il peut vous offrir une solution robuste, précise et évolutive indépendamment de la topologie et de la qualité des éléments de maillage.
Sa technologie de pointe offre une efficacité énergétique et économique optimisée avec un calcul basé sur GPU pour des performances élevées. En conséquence, vous pouvez simuler des modèles complexes sur un seul serveur et calculer l'aéroacoustique à partir de machines rotatives telles que les moteurs électriques, les énergies renouvelables et les ventilateurs de refroidissement.
Vous pouvez utiliser un flux de travail rationalisé et dédié dans Altair HyperWorks avec des fonctionnalités d'exécution, de pré-traitement et de post-traitement du solveur. En outre, Altair CFD utilise également la méthode Lattice Boltzmann (LBM) pour prédire les propriétés aérodynamiques à une vitesse fulgurante pour les voitures particulières, les voitures de course, les véhicules lourds et les camions légers.
Altair utilise le solveur Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) pour prédire les écoulements autour de géométries complexes dans un mouvement complexe. De plus, son outil de méthode des éléments discrets (DEM) simule et étudie avec précision le comportement des matériaux granulaires pour les charbons, les grains, les fibres, les poudres, etc.
Vous pouvez calculer Altair CFD et EDEM pour simuler de manière réaliste l'interaction des fluides et des particules et étudier des systèmes complexes tels que les lits fluidisés, le revêtement par pulvérisation, le séchage, la filtration et le mélange solide-liquide. Les autres outils de cette suite sont Altair FlowSimulator pour le transfert de chaleur, le débit et la conception de la combustion, SimLab pour le refroidissement de l'électronique, etc.
SOLIDWORKS
Si vous êtes un utilisateur SOLIDWORKS, vous aimerez Logiciel de simulation de flux SOLIDWORKS. Il traite les problèmes d'écoulement des fluides à l'aide d'analyses numériques et offre un retour dynamique sur les performances thermiques et l'écoulement des fluides de vos produits.
À l'aide de fonctionnalités d'optimisation paramétrique, vous pouvez automatiser le processus d'analyse et de conception pour trouver la meilleure itération de conception dans un environnement CAO familier. Les outils vous permettent de simuler une variété différente de gaz et de liquides selon différents scénarios.
Ses applications typiques sont les collecteurs à circulation, le refroidissement électronique, les échangeurs de chaleur et l'aérodynamique. Vous disposez de nombreux outils d'analyse CFD pour l'intégration FEA, l'analyse des systèmes rotatifs, l'analyse des flux externes et internes, le module de refroidissement électronique, la dynamique des surfaces libres, l'étude des particules et le module HVAC.
Ce logiciel CFD s'intègre à SOLIDWORKS et utilise l'interface CAO pour l'analyse. Il peut reconnaître automatiquement le volume de fluide dans une conception en fonction du type d'analyse et vous permet d'exécuter plusieurs scénarios CFD et de créer des modèles d'analyse avec des entrées et des paramètres précis. Vous pouvez également tirer parti du maillage dynamique avec le raffinement automatique du maillage pour une activité très fluide.
Conclusion
Le logiciel d'analyse CFD vous permet de visualiser et d'analyser les problèmes d'écoulement de fluide, de transfert de chaleur, etc., dans la conception de votre produit. Vous pouvez résoudre ces problèmes rapidement et avec précision pour permettre une conception et un développement de produits plus sûrs et de qualité.
