Mécanique des fluides numérique

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Représentation numérique de l'écoulement de l'air autour d'une monoplace.

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.

Historique[modifier | modifier le code]

Méthodologie[modifier | modifier le code]

Maillage d'une automobile.

De manière générale, la résolution d'un problème de CFD passe par trois grandes phases :

  1. 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 ;
  2. 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 ;
  3. 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 | modifier le code]

Méthode des différences finies[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Méthode des différences finies.

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 | modifier le code]

Article détaillé : Méthode des volumes finis.

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 | modifier le code]

Article détaillé : Méthode des éléments finis.

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 | modifier le code]

Domaines d'application[modifier | modifier le code]

La CFD est particulièrement employée dans les domaines des transports, pour étudier notamment le comportement aérodynamique des véhicules (automobile, aéronautique, etc) conçus.

La CFD est également utilisée dans le domaine des installations critiques telles que les salles de serveurs. Elle permet de réaliser une représentation 3D de la salle, comprenant toutes les informations relatives aux équipements informatiques, électriques et mécaniques. On obtient une carte graduée des différentes zones de chaleur présentes, ce qui permet de détecter les zones critiques et les points chauds (ou "hot spots").

Quelques exemples d'utilisation et leurs avantages :

  • Test de la configuration architecturale (taille, forme, climatisation, densité...), de la méthodologie de climatisation (globale, en rangée, allées froides et chaudes, confinement, avec ou sans conduits de ventilation, climatisation de type XDV, XDO...);
  • Agencement des équipements de refroidissement et de climatisation et évaluation de leur impact d'encombrement;
  • Réduction de la consommation énergétique des équipements prévus dans la stratégie TI;
  • Déploiement des équipements : réduction de la consommation d'énergie, équilibrage de la puissance, amélioration du routage des câbles, maximisation de l'espace utilisé, réalisation de tests des modifications avant leur déploiement, validation de la capacité de refroidissement requise, évaluation du risque d'apparition de points chauds[1]...

Méthodes de simulation de fluide[modifier | modifier le code]

Principaux logiciels[modifier | modifier le code]


Références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]