L’analyse CFD permet aux ingénieurs de visualiser, de tester et d’analyser la conception de leurs produits pour les problèmes liés à l’écoulement des fluides, au transfert de chaleur, aux turbulences, aux matériaux non newtoniens, etc.
Grâce à cette technologie, les entreprises et les ingénieurs peuvent facilement calculer l’efficacité de leur conception, à tout moment et dans n’importe quelle condition, de manière virtuelle. Elle permet ainsi d’économiser du temps, des efforts et de l’argent.
Mais le processus n’était pas aussi simple auparavant. Avant l’arrivée de la simulation ou de l’analyse CFD, les essais physiques coûteux étaient le seul moyen de résoudre les problèmes pratiques. Ils impliquaient des essais rigoureux à l’aide de prototypes, avec de nombreux rappels et échecs.
Outre les essais, vous devez résoudre les problèmes rapidement pour que la conception passe en phase de production. Les logiciels d’analyse CFD vous aident dans cette tâche, et c’est ce dont je vais parler dans cet article. Mais pour cela, vous pouvez vous reporter à la section“Qu’est-ce que la CFD ?
Voyons maintenant quelques-uns des meilleurs outils d’analyse CFD disponibles sur le marché.
Autodesk CFD
Autodesk CFD est un très bon logiciel de simulation CFD destiné aux analystes et aux ingénieurs, qui leur permet de prédire intelligemment l’écoulement et le comportement des gaz et des liquides. Il permet de minimiser les besoins en prototypes physiques afin d’obtenir des informations approfondies sur l’écoulement d’un fluide pour la performance de la conception.
Ce logiciel CFD et ces outils de simulation thermique offrent de nombreuses fonctionnalités et des performances optimales. L’utilisation de l’outil vous permet de comparer les conceptions pour comprendre le comportement des fluides à l’intérieur de celles-ci avant de passer à la production. En outre, vous pouvez améliorer la distribution de la pression pour les applications de contrôle des flux et résoudre les équations de tous les modèles de transfert de chaleur, qu’il s’agisse d’un modèle solide-solide ou solide-fluide.
Autodesk CFD vous permet de le connecter à Fusion 360 pour modifier et simplifier la CAO. Vous pouvez également utiliser l’automatisation du maillage et la géométrie pour le dimensionnement du maillage et exécuter plusieurs analyses sur des serveurs HPC, à distance ou localement, pour résoudre de grands modèles avec souplesse.
Le logiciel vous permet d’optimiser la conception afin d’améliorer l’efficacité des bâtiments pour les applications MEP et architecturales. Vous pouvez également simuler une interface entre des gaz et des 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.
Parmi les autres fonctionnalités d’Autodesk CFD, citons les connexions CAO, la simulation des performances des composants de dissipation 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 outre, l’analyse des charges de chauffage solaire et de la visibilité des fumées, l’interface utilisateur personnalisable et propre, les résultats basés sur les données et les scripts d’automatisation via une API sont d’autres caractéristiques intéressantes de ce logiciel CFD.
SimScale
Le logiciel CFD de SimScale est basé sur le cloud et vous permet de tester, de valider, d’optimiser et d’itérer vos conceptions par le biais de la simulation en ligne. Il permet tous les processus dans un navigateur Web, de sorte que vous n’avez pas à vous battre avec une puissance de calcul limitée, des coûts élevés et l’accessibilité.
Comme les simulations transitoires nécessitent plus de temps et d’argent pour produire des résultats précis, le logiciel CFD de SimScale résout ce problème. Ce solveur basé sur le GPU utilise la méthode Lattice-Boltzmann (LBM) pour offrir une grande précision et une vitesse inégalée.
La société a également collaboré avec Numeric Systems GmbH pour créer cette fonction prête à l’emploi à l’aide de Pacefish.
En conséquence, les temps de simulation transitoire sont passés de jours et de semaines à des minutes et des heures. En outre, le logiciel fonctionne sur plusieurs GPU en parallèle et offre des délais d’exécution 20 à 30 fois plus courts que les processus standard.
SimScale prend en charge plusieurs types de modélisation de la turbulence tels que Smagorinsky, k-omega SST, Hybrid SST-IDDES et SST-DDES. La compressibilité des fluides étant 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 plus sûrs et de meilleure qualité.
Le logiciel CFD de SimScale peut résoudre des équations complexes d’écoulement des fluides à l’aide de méthodes numériques précises. Il est donc 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, ainsi que pour les simulations transitoires et stables. Il est donc utile pour la conception de tuyaux, la propagation des fumées, les salles blanches et les séparateurs cycloniques.
Le logiciel offre des capacités de simulation thermique, de modélisation d’écoulements multiespèces ou multiphases à l’aide de la méthode du volume de fluide (VoF). Il utilise également le solveur OpenFOAM pour analyser deux fluides non-mélangés, l’eau et l’huile, ce qui est utile pour l’ingénierie des procédés et les applications marines.
Exécutez des simulations en régime permanent en utilisant des cadres de référence multiples (MRF) ou des conditions aux limites tournantes, ainsi que des simulations transitoires avec l’interface de maillage arbitraire (AMI). Vous pouvez également simuler et évaluer le mouvement d’un corps solide impliquant 6 degrés de liberté (DoF), ce qui convient à la construction navale et à la conception de tuyauteries.
Ansys
Tout ingénieur concepteur doit avoir utilisé ou au moins entendu parler d’Ansys, qui propose d’excellents outils de simulation CFD pour vous aider à prendre des décisions plus rapides et plus judicieuses. Ses simulations CFD offrent des résultats précis et une grande puissance de calcul, et leur qualité a été validée.
Les outils CFD sont intuitifs et puissants pour vous aider à améliorer la sécurité et les performances de vos produits tout en réduisant les efforts et le temps de développement. En outre, ils garantissent peu ou pas d’erreurs et offrent la possibilité d’innover et de fabriquer des produits optimisés à l’aide de solveurs efficaces et de qualité industrielle.
Que vous cherchiez à réaliser des simulations efficaces de givrage en vol ou à maximiser l’efficacité d’un moteur à combustion interne, Ansys dispose d’outils pour vous aider. Conviviaux et évolués, ils vous permettent de gagner du temps et d’accroître votre productivité.
Voici quelques-uns des produits CFD qu’elle propose :
- Ansys is Fluent pour une modélisation avancée de haute 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 réagissant chimiquement
En outre, 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
Lancé en 2004, OpenFOAM est un logiciel de CFD libre et gratuit développé par OpenCFD. Il compte un grand nombre d’utilisateurs dans le monde entier, dans la plupart des domaines de la science et de l’ingénierie, y compris des organisations universitaires et commerciales.
OpenFOAM offre de nombreuses fonctionnalités applicables à la résolution d’écoulements de fluides simples ou complexes tels que les réactions chimiques, le transfert de chaleur, la turbulence, la mécanique des solides, l’électromagnétisme et l’acoustique.
En outre, la communauté de développeurs d’OpenFOAM continue de contribuer à son développement et inclut également des développements sponsorisés par les clients pour sortir de nouvelles versions tous les six mois.
Le logiciel est testé indépendamment par les spécialistes des applications d’ESI-OpenCFD, des clients sélectionnés et des partenaires de développement. Ils effectuent des tests rigoureux sur le logiciel pour en assurer la qualité. Le processus d’évaluation, de validation et de vérification du code comprend des centaines de tests unitaires quotidiens.
COMSOL
COMSOL propose un module CFD qui permet de simuler la dynamique des fluides. Grâce à ce module, vous pouvez construire des modèles de phénomènes physiques réels. Ses caractéristiques spéciales pour les simulations d’écoulement des fluides sont utiles pour un flux de travail cohérent de construction de modèles.
Les types de simulations que vous pouvez effectuer avec ce logiciel sont les suivants :
- Écoulement laminaire et rampant : il permet de modéliser des fluides dont la densité et la viscosité sont à la fois constantes et variables.
- Écoulement turbulent : il prend en charge une variété d’écoulements turbulents stables et transitoires et permet d’éditer les équations du modèle.
- Écoulement multiphasique et surfaces libres : Ce logiciel peut être utilisé pour simuler le comportement des bulles, des gouttelettes et des particules.
- Écoulement en milieu poreux : le logiciel propose trois modèles pour cette simulation : Loi de Darcy, Équations de Brinkman, et Écoulement en milieu libre et poreux.
Pour obtenir des informations détaillées sur les licences disponibles et obtenir une démonstration, vous devez contacter la société et parler aux représentants commerciaux.
Simcenter
Analysez et prévoyez les performances de vos produits dans le monde réel à l’aide du logiciel de simulation CFD Simcenter de 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 des phénomènes physiques connexes.
Que vous soyez concepteur, ingénieur CFD ou chercheur, le logiciel peut vous aider à analyser des problèmes complexes d’écoulement des fluides et à transformer les connaissances acquises en produits innovants.
Il peut également simuler facilement des problèmes impliquant plusieurs pièces en mouvement et en interaction en utilisant le morphing de maillage, le maillage surdimensionné ou une combinaison des deux.
En outre, vous pouvez utiliser les fonctions de maillage mobile pour les simulations stables ou transitoires et les études paramétriques. Vous pouvez ainsi remplacer ou repositionner un objet sans effort et étudier différentes configurations de conception. Le logiciel Simcenter CFD offre des capacités de modélisation lagrangienne et eulérienne 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 la simulation numérique des écoulements. Il vous aide à analyser l’interaction entre les écoulements turbulents et les écoulements réactifs afin de garantir le bon fonctionnement du produit dans diverses conditions d’exploitation.
En outre, vous disposez d’une vaste bibliothèque contenant des modèles précis pour prédire les sources aéroacoustiques, tels que des modèles en régime permanent, DES/LES et des modèles de propagation. Vous pouvez également utiliser des simulations de batteries en utilisant les caractéristiques géométriques et les performances pour valider la conception de votre batterie numérique Li-ion.
Flowsquare
Flowsquare est un autre logiciel CFD gratuit de cette liste. Il s’agit d’un logiciel CFD bidimensionnel permettant d’analyser les écoulements de fluides instables et non réactifs/réactifs, ainsi que les écoulements subsoniques ou supersoniques.
Il offre un environnement pratique pour l’analyse CFD et vise à rapprocher un plus grand nombre de personnes de cette technologie et à simuler des écoulements pour répondre à leurs intérêts académiques ou éducatifs.
La plupart des outils commerciaux de CFD sont très coûteux et nécessitent une expertise et des ressources de calcul importantes, ce qui ne permet pas à tout le monde de les utiliser, mais Flowsquare est gratuit et conçu pour être facile à utiliser.
Il ne nécessite aucune compétence en matière de maillage, de programmation CAO et de pré/post-traitement. Vous pouvez commencer par dessiner un champ de simulation simple à l’aide d’un outil de peinture comme Microsoft Paint.
Définissez le domaine de calcul à l’aide de 1 ou 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 en 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 multiplateforme et open-source. Il vous permet de créer rapidement des visualisations et d’analyser les données à l’aide de méthodes qualitatives et quantitatives.
Les simulations CFD de ParaView vous permettent d’étudier la portance, la traînée, l’écoulement de l’air, etc. afin d’améliorer l’efficacité de la conception. Il est également capable d’analyser des ensembles massifs de données avec des ressources de mémoire informatique distribuées. En outre, vous pouvez effectuer l’exploration des données de manière interactive par programmation ou en 3D en utilisant les fonctions de traitement par lots du logiciel.
Vous pouvez exécuter ParaView sur des superordinateurs et analyser des ensembles de données pétascales 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 été récompensé à plusieurs reprises pour son haut niveau de calcul et de performance.
Tirez parti de ParaView pour votre prochain projet et bénéficiez de ses services avancés et de ses solutions de recherche et développement. Vous pouvez également rejoindre le forum ParaView et rester informé des 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 à étudier la portance et la traînée
- L’exploration intuitive de données immersives.
- ParaView Catalyst et PHASTA aident à la simulation CFD du contrôle de l’écoulement avec une haute fidélité pour les profils d’aile.
- Simulation ALEGRA d’une plaque en céramique utilisée pour la pénétration d’un jet à charge creuse
- NVIDIA Omniverse ParaView Connector permet aux scientifiques d’analyser les données climatiques et météorologiques de manière interactive, ainsi que leurs effets sur la Terre.
Altair
Que vous souhaitiez réaliser une modélisation CFD avancée ou étudier les effets thermiques ou fluidiques de votre conception, Altair peut vous aider grâce à ses nombreux outils. Il fournit plusieurs solveurs évolutifs et un puissant logiciel CFD de pré- et post-traitement pour tester les performances d’un système complet 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 avancée permet d’optimiser l’efficacité énergétique et les coûts grâce à un calcul basé sur le GPU pour des performances élevées. Vous pouvez ainsi simuler des modèles complexes sur un seul serveur et calculer l’aéroacoustique 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 solveur, de pré-traitement et de post-traitement. De plus, Altair CFD utilise 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 compliquées dans un mouvement complexe. De plus, son outil Discrete Element Method (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 entre les fluides et les particules et étudier des systèmes complexes tels que les lits fluidisés, l’enrobage 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, l’écoulement et la conception de la combustion, SimLab pour le refroidissement de l’électronique, et bien plus encore.
SOLIDWORKS
Si vous êtes un utilisateur de SOLIDWORKS, vous apprécierez le logiciel de simulation d’écoulement SOLIDWORKS. Il traite les problèmes d’écoulement des fluides à l’aide de l’analyse numérique et offre un retour d’information dynamique sur les performances thermiques et l’écoulement des fluides de vos produits.
Grâce aux fonctions d’optimisation paramétrique, vous pouvez automatiser le processus d’analyse et de conception afin de trouver la meilleure itération de conception dans un environnement de CAO familier. Les outils vous permettent de simuler une grande variété de gaz et de liquides dans différents scénarios.
Les applications typiques sont les collecteurs de flux, 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 des fluides 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 affinage automatique du maillage pour les activités à forte intensité de fluides.
Simcenter STAR-CCM
Simcenter STAR-CCM est une application CFD multiphysique qui vous aide à améliorer les performances de vos produits grâce à la simulation de situations réelles. Son interface utilisateur entièrement intégrée vous permet de gérer facilement des applications complexes. Les principales fonctionnalités de simulation de ce logiciel sont les suivantes
- CFD multiphysique : il vous permet de capturer tous les éléments physiques pertinents susceptibles d’affecter les performances du produit.
- Écoulements monophasés : Qu’il s’agisse de gaz ou de liquide, compressible ou incompressible, subsonique ou supersonique, laminaire ou turbulent, cette application dispose d’un modèle CFD adapté.
- Simulation d’écoulements multiphasiques : Cette application offre une large gamme de modèles pour simuler de multiples régimes d’écoulement.
- Écoulements réactifs : Vous obtenez également des modèles d’écoulement réactif et d’émission pour comprendre la dynamique de l’écoulement et optimiser les performances.
En outre, il peut simuler le transfert de chaleur dans un milieu ou entre des milieux, les sources de bruit aéroacoustiques, l’électromagnétisme, la diffusion et les fluides à dominante visqueuse, ainsi que l’interaction fluide-structure. Simcenter STAR-CCM offre des plans de licence flexibles et rentables.
Je vais maintenant vous parler en détail de la CFD, de son fonctionnement et de bien d’autres choses encore.
Qu’est-ce que le 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 la composition chimique, la densité et la vitesse.
Le logiciel CFD est l’outil qui permet d’effectuer l’analyse CFD et de résoudre les problèmes d’écoulement des fluides. Il permet de s’assurer que les meilleurs concepts d’écoulement 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 des problèmes complexes d’écoulement des fluides impliquant des interactions liquide-gaz, fluide-solide ou fluide-fluide. Elle utilise des solveurs avancés pour transformer les lois physiques des équations différentielles 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. En utilisant des ordinateurs sophistiqués ou des supercalculateurs, 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
- L’ingénierie aérospatiale pour simuler l’aérodynamique des avions, les écoulements turbulents/laminaires, les écoulements compressibles/incompressibles, la conception des profils aérodynamiques, les machines tournantes, etc.
- Fabrication électronique : simulation de batteries, refroidissement, etc
- Chauffage, ventilation et climatisation (HVAC)
- Automobiles pour simuler l’aérodynamique des pièces automobiles, des tuyaux et des soupapes
- Prévention de la cavitation
- Équipements sportifs, et bien d’autres encore
Comment fonctionne l’analyse CFD ?
En général, l’analyse CFD comporte trois phases principales :
Le prétraitement : C’est à ce moment que le problème de l’écoulement des fluides se transforme en un modèle informatique discret et idéal. Les ingénieurs et les analystes font quelques hypothèses basées sur le type d’écoulement, comme compressible, incompressible, régulier, transitoire, visqueux, non visqueux, etc. Ils créent également un maillage et appliquent des conditions limites sur les surfaces en interaction.
Résolution : L’analyse CFD utilise des solveurs puissants qui effectuent des calculs réels sur les problèmes ou les équations d’écoulement des fluides et apportent des solutions précises et rapides.
Post-traitement : Les analystes visualisent et analysent les résultats dans la phase finale pour les présenter sous forme de tableaux, de graphiques, d’images animées, etc.
Quels sont les avantages de l’analyse CFD ?
L’analyse CFD est bénéfique pour le développement de produits à bien des égards :
#1. Efficacité
L’analyse et la résolution d’équations complexes prendraient beaucoup de temps si elles étaient effectuées manuellement par le biais de tests et de calculs conventionnels. Mais les logiciels d’analyse CFD peuvent résoudre les équations complexes d’écoulement des fluides avec une grande rapidité et une grande précision, ce qui vous permet d’économiser du temps et des efforts.
#2. Plus de flexibilité
Vous pouvez mesurer des quantités limitées à la fois par des moyens manuels. En revanche, l’analyse CFD vous permet de mesurer simultanément toutes les grandeurs physiques que vous souhaitez avec une résolution élevée grâce à une puissance de calcul exceptionnelle. Elle vous aide à faire passer rapidement votre conception aux essais physiques et à la fabrication.
#3. Retour d’information pratique
L’analyse CFD permet aux ingénieurs de créer des modèles et d’en tester l’efficacité avant la construction. Elle vous permet de modifier facilement la forme, la structure, la taille, l’échelle, etc. de votre modèle dans le logiciel et de finaliser le modèle le plus efficace.
#4. Expérience du monde réel
La simulation inclut divers phénomènes et conditions du monde réel tels que le mouvement du vent, la gravité, la vitesse de la lumière, etc. Vous pouvez donc générer des conditions environnementales et tester vos conceptions dans ces conditions afin de comprendre leurs performances et leur comportement.
Conclusion
Le logiciel d’analyse CFD vous permet de visualiser et d’analyser les problèmes liés à l’écoulement des fluides, au 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 meilleure qualité.