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Module CFD

Simuler les écoulements monophasiques et multiphasiques

Effectuez des simulations de dynamique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics, ou CFD) avec le module CFD, un produit complémentaire du logiciel COMSOL Multiphysics®. Le module CFD fournit les outils pour modéliser les fondamentaux des analyses d'écoulements de fluides, notamment :

  • Ecoulements internes et externes
  • Ecoulements incompressibles et compressibles
  • Ecoulements laminaires et turbulents
  • Ecoulements monophasiques et multiphasiques
  • Ecoulements en milieu libre et poreux

Les capacités multiphysiques sont pratiquement illimitées au sein du module ou en combinaison avec d'autres modules complémentaires de COMSOL Multiphysics®. Le module CFD vous fournit les outils nécessaires pour modéliser les écoulements non isothermes avec transfert de chaleur conjugué, les écoulements réactifs, l'interaction fluide-structure (FSI) et l'électrohydrodynamique (EHD). Des couplages multiphysiques supplémentaires peuvent être ajoutés avec d'autres modules de la suite de produits COMSOL, comme la combinaison d'un écoulement fluide avec de grandes déformations structurelles en FSI. L'environnement de simulation reste similaire, quel que soit l'objectif de vos modélisations.

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A model of a sports car with two side mirrors and two doors with yellow streamlines showing the flow field from the front to the rear of the car.
Une vue détaillée d'un modèle de mélangeur montrant la vitesse et l'écoulement du fluide.
Vue détaillée d'un cylindre dans un canal montrant l'amplitude de la vitesse et l'écoulement.

Ecoulements de Stokes et laminaires

Modélisez les écoulements laminaires en régime transitoire ou stationnaire avec les équations de Navier-Stokes, ou les écoulements rampants avec les équations de Stokes.

Outre la modélisation de fluides à densité et viscosité constantes, vous pouvez étudier des fluides dont la viscosité et la densité dépendent de la température, de la composition locale, du champ électrique ou de tout autre champ ou variable contenues dans le modèle. En général, les sources de densité, de viscosité et de quantité de mouvement peuvent être des fonctions arbitraires de toute variable dépendante, ainsi que des dérivées des variables dépendantes.

Pour les fluides non newtoniens, vous pouvez utiliser les modèles rhéologiques génériques prédéfinis pour la viscosité, tels que les modèles Loi de Puissance, Carreau, Bingham, Herschel-Bulkley ou Casson pour faciliter la configuration du modèle.

Vous pouvez également modéliser les écoulements laminaires dans des structures en mouvement, par exemple à l'intérieur de vannes qui s'ouvrent et se ferment ou autour de turbines en rotation.

Ecoulements turbulents

Un ensemble complet de modèles de turbulence de type Navier-Stokes avec moyenne de Reynolds (RANS) est disponible dans des interfaces d'écoulements prédéfinies avec le module CFD. Ces modèles vous permettent de simuler une large gamme d'écoulements turbulents stationnaires et transitoires. Vous pouvez également modifier ou étendre les équations du modèle directement dans l'interface utilisateur pour créer des modèles de turbulence qui ne sont pas encore inclus.

Modèles de turbulence RANS

  • Modèles à 2 équations
    • k-ε
    • k-ε réalisable
    • k-ω
    • SST
    • k-ε bas Reynolds
  • Modèles avec équations de transport supplémentaires
    • Spalart–Allmaras
    • v2-f
  • Modèles algébriques de turbulence
    • yPlus algébrique
    • L-VEL

Traitements des parois

Vue détaillée de la résolution aux parois et du champ des vitesses dans un modèle de bassin de traitement des eaux.
Lois de parois

Robustes et applicables pour des maillages relativement grossiers, méthode avec précision limitée.

Vue détaillée de l'écoulement et de la pression d'un modèle de profil d'aile en 3D.
Traitement des parois par modèle bas Reynolds

Résout l'écoulement jusqu'aux parois. Apporte de la précision mais nécessite un maillage fin.

Vue détaillée d'un modèle d'hydrocyclone montrant la vitesse du fluide.
Traitement automatique des parois

Hérite de la robustesse fournie par les lois de paroi, avec la précision de traitement des modèles bas Reynolds dans les régions le nécessitant.

Simulation des grandes échelles (LES)

Les modèles de simulation des grandes échelless (LES, Large Eddy Simulation) sont utilisés pour résoudre les structures turbulentes instationnaires tridimensionnelles les plus grandes, tandis que les effets des plus petites structures sont représentés par une approximation. Lorsqu'elle est combinée au maillage en couche limite, cette technique donne une description précise d'un champ d'écoulement transitoire ainsi que des flux et des forces précis aux frontières. Les modèles LES disponibles sont les modèles RBVM (residual-based variational multiscale), RBVMWV (residual-based variational multiscale with viscosity) et Smagorinsky.

Detached Eddy Simulation (DES)

Detached eddy simulation (DES) combines RANS and large eddy simulation (LES), where RANS is used in the boundary layers and LES is used elsewhere. DES combines the Spalart–Allmaras turbulence model with the LES models: RBVM, RBVMWV, or Smagorinsky. The wall treatment for Spalart–Allmaras is either a low Reynolds number or an automatic wall treatment.

The benefit of DES is that it requires a less dense boundary layer mesh than a pure LES. This substantially reduces the memory requirements and computation time when the model equations are being solved. The DES models are applicable to 3D, time-dependent, incompressible single-phase flows.

Vue détaillée d'un modèle de buse à jet d'encre montrant la vitesse après 40 μs.
Vue détaillée d'un écoulement turbulent dans modèle de mélangeur à chicanes.
Vue détaillée d'une bulle d'huile s'élevant à travers un récipient rempli d'eau.
Vue détaillée d'un modèle d'électrocoalescence montrant le champ électrique.

Ecoulements multiphasiques et surfaces libres

Dans les systèmes d'écoulements multiphasiques à phases séparées, vous pouvez utiliser des méthodes de suivi de surface pour modéliser et simuler le comportement de bulles et de gouttelettes, combiné aux surfaces libres. Dans ce type de cas, en utilisant les méthodes level set ou champ de phase, la forme de la frontière de phase peut être décrite en détail, en intégrant les effets de tension de surface et les changements de topologie.

Lorsque les bulles, les gouttelettes ou les particules sont petites par rapport au domaine de calcul et qu'elles sont présentes en grand nombre, vous pouvez utiliser des modèles d'écoulements multiphasiques dispersés. Ces modèles suivent les fractions de masse ou de volume des différentes phases et l'influence que les bulles, les gouttelettes ou les particules dispersées ont sur le transfert de quantité de mouvement dans le fluide, avec une prise en compte moyennée de leurs effets. Les modèles d'écoulements disponibles comprennent les écoulement à bulles, les modèles de mélange, les modèle Euler-Euler et les modèle de mélange avec transport de phase.

Ecoulements en milieu poreux

Le module CFD permet de simuler facilement l'écoulement de fluides dans les milieux poreux à l'aide de trois modèles d'écoulement différents. Le modèle Loi de Darcy est une description robuste et peu coûteuse en calcul des écoulements dans les structures poreuses. Il est également disponible pour les écoulements multiphasiques. Le modèle d'Equations de Brinkman est une extension de la loi de Darcy qui tient compte de la dissipation de l'énergie cinétique par le cisaillement visqueux, et peut inclure les effets inertiels. Pertinent pour les structures très ouvertes à forte porosité, ce modèle est plus général que la loi de Darcy, mais également plus coûteux en ressources de calcul.

Le modèle Ecoulement en milieu libre et poreux couple l'écoulement dans les domaines poreux avec l'écoulement laminaire ou turbulent dans les domaines libres. Le modèle utilise une les équations de Brinkman pour le domaine poreux et les équations de Navier-Stokes pour les domaines libres.

Les écoulements turbulents dans les milieux poreux peuvent être simulés avec l'un des modèles RANS basés sur epsilon ou omega avec des contributions supplémentaires selon Pedras–de Lemos ou Nakayama–Kuwahara, ou une combinaison de ceux-ci.

Pour plus de détails sur des caractéristiques et des fonctionnalités spécifiques aux milieux poreux, voir le module Porous Media Flow ou le module Subsurface Flow.

Un modèle de milieu poreux montrant la fraction volumique dans la palette de couleur Jupiter Aurora Borealis et un graphique d'isosurface rouge pour une lentille à faible perméabilité.
Un modèle d'éjecteur supersonique montrant le champ de vitesse dans la palette de couleurs Aurora Australis.

Ecoulements à haut nombre de Mach

Modélisez les écoulements transsoniques et supersoniques de fluides compressibles en régime laminaire et turbulent. Le modèle d'écoulement laminaire est généralement utilisé pour les systèmes à basse pression et il définit automatiquement les équations des bilans de quantité de mouvement, de masse et d'énergie pour les gaz idéaux. L'écoulement à haut nombre de Mach est également disponible pour les modèles de turbulence k-ε et Spalart-Allmaras.

Dans les deux cas, lors de la résolution de ces modèles, le raffinement automatique du maillage peut être utilisé pour résoudre les chocs en raffinant le maillage dans les régions présentant des gradients de vitesse et de pression les plus élevés.

Ecoulements fluides dans les machines tournantes

Les machines tournantes, telles que les mélangeurs et les pompes, interviennent fréquemment dans les procédés et les équipements qui intègrent des écoulements. Le module CFD fournit des interfaces pour machines tournantes qui formulent les équations de la dynamique des fluides dans des référentiels tournants, disponibles pour les écoulements laminaires et turbulents. Vous pouvez résoudre les problèmes en utilisant soit une description complète du système rotatif en fonction du temps, soit une approche moyennée basée sur l'approximation du rotor gelé. L'approche en rotor gelé est peu coûteuse en ressources calcul et peut être utilisée pour estimer les vitesses moyennes, les changements de pression, les niveaux de mélange, les distributions moyennes de température et de concentration, et plus encore.

D'une manière générale, le module CFD peut également résoudre des problèmes d'écoulement de fluides dans tout référentiel mobile, et pas uniquement sur des référentiels en rotation, pour simuler par exemple l'ouverture et la fermeture de vannes. Vous pouvez utiliser des référentiels mobiles pour résoudre un problème où une structure glisse par rapport à une autre, avec un écoulement entre les deux, configuration facile à décrire et à résoudre grâce à l'utilisation d'un maillage mobile.

Un modèle de pompe centrifuge montrant l'écoulement avec des lignes de courant arc-en-ciel et un graphique de pression en section utilisant la palette de couleurs Jupiter Aurora Borealis.
Un modèle de coussinet incliné montrant la pression dans la palette de couleurs Cividis et l'écoulement représenté par un graphique de surface avec flèches grises.

Ecoulements en films minces

Pour décrire les écoulements dans des domaines minces, comme les films minces lubrifiés entre des pièces mécaniques mobiles (tribologie) ou dans des structures fracturées, le module CFD fournit les interfaces d'Ecoulement en film mince. Cette formulation est typiquement utilisée pour la modélisation de la lubrification, de l'élastohydrodynamique, ou des effets de l'amortissement des fluides entre les pièces mobiles en raison de la présence de gaz ou de liquides (par exemple, dans les MEMS).

Equations shallow water

Les équations en eau peu profonde (shallow water) vous permettent de modéliser l'écoulement sous une surface libre, à condition que l'échelle de longueur horizontale soit beaucoup plus grande que l'échelle de profondeur verticale. Les équations en eau peu profonde sont obtenues en faisant la moyenne sur la profondeur des équations de Navier-Stokes. Les variables dépendantes sont la profondeur de l'eau et le flux de quantité de mouvement. Ces équations peuvent être utilisées pour modéliser les effets des tsunamis et des inondations.

Vue détaillée de la surface du niveau d'eau d'un modèle de propagation de tsunami.
Une vue détaillée de l'impact d'une vague d'eau sur une colonne.

Création de modèles multiphysiques du monde réel

La modélisation de plusieurs phénomènes physiques dans COMSOL Multiphysics® n'est pas différente d'un problème impliquant une seule physique.

Vue détaillée de l'écoulement d'air et de la température d'un modèle de dissipateur thermique.

Ecoulement laminaire non isotherme

Propriétés du fluide et forces de flottabilité dépendant de la température ; pas de flux thermique sur la frontière interne solide-fluide.

Vue détaillée de la fumée produite par un bâton d'encens à trois instants différents.

Ecoulement turbulent non isotherme

Transfert de chaleur conjugué à l'aide de modèles de turbulence ou en LES ; flux de chaleur précis sur la frontière solide-fluide.

Vue détaillée de la déformation et du champ de vitesse autour d'un modèle de panneau solaire.

IFS : études à sens unique

Interaction fluide-structure où l'écoulement crée une charge sur une structure mais où les déformations sont si faibles qu'elles n'ont pas d'impact sur l'écoulement.

Vue détaillée d'une interaction fluide-structure avec de l'eau dans un réservoir.

IFS: couplage total1

Interaction fluide-structure où l'écoulement crée des charges sur une structure, menant à des déformations importantes qui modifient l'écoulement.

Vue détaillée d'une cuve montrant de la bière en fermentation.

Ecoulements réactifs

Transport et réactions multicomposants dans des mélanges dilués et concentrés, à l'aide de modèles de moyenne de mélange ou de la loi de Fick.

Vue détaillée d'un réacteur tubulaire à jets multiples montrant les surfaces d'isoconcentration.

Ecoulements réactifs avancés2

Les équations complètes de Maxwell-Stefan pour le transport multicomposants dans des écoulements laminaires.

A close-up view of a nozzle model with contours.

Ecoulement réactif à haut nombre de Mach2

Ecoulement à haut nombre de Mach avec transport d'espèces chimiques et réactions pour des espèces concentrées et diluées.

Vue détaillée d'un modèle de mélangeur montrant le champ des vitesses.

Mélangeurs3

Ecoulements multiphasiques et à surfaces libres pour les machines tournantes, ainsi qu'une bibliothèque de pièces pour les pales et les réservoirs.

Vue détaillée d'un modèle de tuyau coudé montrant la vitesse des particules.

Suivi de particules4

Modèles d'écoulements multiphasiques Euler-Lagrange, avec des particules ou des gouttelettes modélisées en tant qu'entités discrètes.

Vue détaillée d'un modèle d'échangeur de chaleur à tubes montrant la pression et la vitesse.

Ecoulements en conduites et CFD5

Conduites et canalisations connectées à des domaines fluides 2D ou 3D, avec écoulements non isothermes, en conditions laminaires et turbulentes.

  1. Nécessite le module Structural Mechanics, le module MEMS, ou le module Multibody Dynamics
  2. Nécessite le module Chemical Reaction Engineering, le module Battery Design, ou le module Fuel Cell & Electrolyzer
  3. Nécessite le module Mixer
  4. Nécessite le module Particle Tracing
  5. Nécessite le module Pipe Flow

Fonctionnalités générales adaptées à la résolution de problèmes de CFD

Le module CFD offre des fonctionnalités spécialisées pour les simulations des écoulements de fluides et fonctionne de manière transparente dans la plateforme COMSOL Multiphysics® pour une méthodologie de travail cohérente pour la création de modèles.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Interaction Fluide-Structure mis en évidence et un modèle de bande bimétallique affiché dans la fenêtre graphique.

Les interfaces d'écoulements de fluides

Afin de modéliser les écoulements laminaires, turbulents, multiphasiques, compressibles, à haut nombre de Mach et en films minces, ainsi que les équations en eau peu profonde, le module CFD fournit un grand nombre d'interfaces d'écoulements de fluides adaptées aux différents régimes rencontrés. Chaque interface d'écoulements fluides définit des ensembles d'équations dans les domaine d'étude, des conditions aux limites, des conditions initiales, des maillages prédéfinis, des études prédéfinies avec des paramètres de solveur pour des analyses stationnaires et transitoires, ainsi que des graphiques et des valeurs dérivées prédéfinis.

Vue rapprochée de la fenêtre de réglages des propriétés du mélange et d'un modèle de joint de moteur dans la fenêtre graphique.

Matériaux

Le module CFD comprend une bibliothèque de matériaux contenant les gaz et les liquides les plus courants. En combinaison avec le module Chemical Reaction Engineering ou le module Liquid & Gas Properties, vous pouvez également accéder à des descriptions génériques des propriétés thermodynamiques des fluides (comme la viscosité, la densité, la diffusivité, la conductivité thermique, la chaleur de formation et la transformation de phase).

Vue rapprochée de la fenêtre des réglages de l'Ecoulement lainaire à haut nombre de Mach, et un modèle d'écoulement d'Euler autour d'un obstacle dans la fenêtre graphique.

Discrétisation

Les interfaces d'écoulement de fluides utilisent les méthodes de Galerkin/moindres-carrés et Petrov-Galerkin pour discrétiser les équations d'écoulements et générer le modèle numérique dans l'espace (en 2D, 2D axisymétrie et 3D). Les fonctions test sont assemblées spécifiquement pour stabiliser les termes hyperboliques et le terme de pression dans les équations de transport. Les techniques de capture de chocs réduisent encore davantage les oscillations parasites. De plus, des formulations Galerkin discontinues sont utilisées pour conserver la quantité de mouvement, la masse et l'énergie sur les frontières internes et externes.

Vue rapprochée d'un graphique de traînée en 1D et d'un modèle de ballon de football dans la fenêtre graphique.

Evaluation et visualisation des résultats

Les interfaces d'écoulements de fluides génèrent un certain nombre de graphiques par défaut pour analyser les champs de vitesse et de pression. Des graphiques de lignes de courant sont disponibles pour visualiser les écoulements et leur direction. Les graphiques de surface et de volume montrent la pression et l'intensité du vecteur vitesse. Il existe également une liste détaillée de valeurs et de variables dérivées auxquelles il est facile d'accéder pour extraire des résultats analytiques, par exemple le coefficient de traînée.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Géométrie en surbrillance et un modèle de corps d'Ahmed dans la fenêtre graphique.

Géométrie

Générez des domaines d'écoulement, tels qu'une boîte englobante, autour de géométries CAO importées. Des outils sont disponibles pour supprimer automatiquement ou manuellement les détails qui ne sont pas pertinents pour les écoulement de fluides. Avec le module CAD Import, vous pouvez importer la plupart des formats de fichiers CAO et effectuer des opérations de réparation et de nettoyage. Les outils de géométrie intégrés pour la CAO sont également capables de créer des géométries et des domaines complexes.

Vue rapprochée de la fenêtre de statistiques du maillage et d'un modèle de voiture de sport dans la fenêtre graphique.

Maillage

La fonctionnalité de maillage contrôlé par la physique du module CFD prend en compte les conditions limites du problème d'écoulement du fluide lors de la génération de la séquence de maillage. Un maillage en couche limite est automatiquement généré afin de résoudre les gradients de vitesse qui apparaissent généralement sur les surfaces où les conditions de paroi sont appliquées.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Multigrille mis en évidence et un modèle d'hydrocyclone affiché dans la fenêtre graphique.

Solveurs

Les équations d'écoulements sont généralement fortement non linéaires. Pour résoudre les équations du modèle numérique, les paramètres automatiques du solveur sélectionnent une méthode de Newton amortie appropriée. Pour les problèmes de grande taille, les itérations linéaires de la méthode de Newton sont accélérées par des méthodes multigrilles algébriques ou géométriques de pointe, spécialement conçues pour les problèmes de transport.

Pour les problèmes transitoires, des techniques à pas de temps automatique et des ordres polynomiaux automatiques sont utilisées pour résoudre les champs de vitesse et de pression avec la plus grande précision possible, en combinaison avec les solveurs non linéaires décrits ci-dessus.

Vue rapprochée des paramètres d'entrée d'une application de simulation et d'un modèle de bassin de traitement des eaux dans la fenêtre graphique.

Applications de simulation

Vous pouvez construire des interfaces utilisateur à partir de n'importe quel modèle existant à l'aide du [constructeur d'applications] (/comsol-multiphysics/application-builder), qui est inclus dans COMSOL Multiphysics®. Cet outil vous permet de créer des applications à des fins spécifiques avec des entrées et des sorties bien définies. Les applications peuvent être utilisées à de nombreuses fins: automatiser des tâches difficiles et répétitives, créer et mettre à jour des rapports, fournir des interfaces conviviales pour les non-experts, accroître l'accès aux modèles au sein de votre organisation et obtenir un avantage concurrentiel auprès de vos clients.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou question spécifique, avant de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

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