Mécanique des fluides numérique
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La mécanique des fluides numérique (MFN), plus souvent désignée par le terme anglais computational fluid dynamics (CFD), consiste à étudier les mouvements d'un fluide, ou leurs effets, par la résolution numérique des équations régissant le fluide. En fonction des approximations choisies, qui sont en général le résultat d'un compromis en termes de besoins de représentation physique par rapport aux ressources de calcul ou de modélisation disponibles, les équations résolues peuvent être les équations d'Euler, les équations de Navier-Stokes, etc.
La CFD a grandi d'une curiosité mathématique pour devenir un outil essentiel dans pratiquement toutes les branches de la dynamique des fluides, de la propulsion aérospatiale aux prédictions météorologiques en passant par le dessin des coques de bateaux. Dans le domaine de la recherche, cette approche est l'objet d'un effort important, car elle permet l'accès à toutes les informations instantanées (vitesse, pression, concentration) pour chaque point du domaine de calcul, pour un coût global généralement modique par rapport aux expériences correspondantes.
Sommaire |
Historique [modifier]
Méthodologie [modifier]
De manière générale, la résolution d'un problème de CFD passe par trois grandes phases :
- la préparation du problème : ceci passe par la définition d'une géométrie, d'un maillage discrétisant le domaine de calcul, du choix des modèles et méthodes numériques employés ;
- la résolution numérique du problème qui passe par l'exécution d'un programme informatique. Bien des problèmes suscitant un minimum d'intérêt nécessitent des ordinateurs aux très grandes capacités ;
- l'exploitation des résultats : on vérifie d'abord leur cohérence, puis ils sont examinés afin d'apporter des réponses aux questions posées par le problème de CFD de départ.
L'exploitation des résultats passe le plus souvent par des logiciels de post-traitement scientifique utilisés dans de nombreuses branches de la physique, ou bien par les modules de post-traitement disponibles dans certains logiciels de CFD commerciaux.
Méthodes de discrétisation [modifier]
Méthode des différences finies [modifier]
La méthode des différences finies a une importance historique et est simple à programmer. Elle n'est actuellement utilisée que dans quelques codes spécialisés.
Méthode des volumes finis [modifier]
La méthode des volumes finis est une approche commune utilisée dans les codes CFD. Les équations qui régissent le fluide sont résolues sur des volumes de contrôle discret.
Méthode des éléments finis [modifier]
La méthode des éléments finis (MEF) est utilisée dans l'analyse structurale des solides, mais est également applicable aux fluides. Cependant, la formulation à éléments finis nécessite des soins particuliers pour assurer une solution conservative.
Résolution du problème discrétisé [modifier]
Domaines d'application [modifier]
La CFD est particulièrement employée dans les domaines des transports, pour étudier notamment le comportement aérodynamique des véhicules (automobile, aéronautique, etc) conçus.
Méthodes de simulation de fluide [modifier]
Principaux logiciels [modifier]
- Cast3M, développé et distribué par le CEA : http://www-cast3m.cea.fr/
- FloEFD et FloTHERM développés et distribués par Mentor Graphics
- ACE+Suite, CFD-CADalyzer, PAM-FLOW et UH3D développés et distribués par ESI Group ;
- SC/Tetra et STREAM développés par la société japonaise Cradle CFD. Ces logiciels sont distribués en Europe par la société française Fluorem ;
- CFX et Fluent développé et distribué par la société ANSYS ;
- PowerFLOW développé et distribué par la société Exa Corporation ;
- StarCCM+ développé et distribué par la société CD-adapco ;
- FINE/Turbo, FINE/Open et FINE/Marine développés et distribués par la société NUMECA International ;
- Acusolve développé par la société Acusim. Acusolve résout les équations de la mécanique des fluides par la méthode des éléments finis ;
- OpenFOAM, logiciel open source distribué par la société OpenCFD Ltd ;
- Gerris (logiciel), logiciel libre sur maillage adaptatif hiérarchique oct-tree très utilisé en écoulements multiphasiques ;
- Code Saturne, logiciel open source développé par EDF. Il sert aux calculs d'éléments importants de centrales nucléaires ;
- Code Ananas, logiciel développé et distribué par la société LEMMA intégrant mécanique des fluides, dynamique des structures et interaction fluide-structure ;
- meteodynWT développé et distribué par la société Meteodyn ; ce logiciel calcule la ressource éolienne disponible.
- Tecplot, logiciel de visualisation graphique et manipulation de données maillées
