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Module CFD

Simuler les écoulements monophasiques et multiphasiques

Effectuez des simulations numériques de dynamique des fluides (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

Le module CFD inclut également des fonctionnalités multiphysiques afin de modéliser les écoulements non isothermes avec transfert de chaleur conjugué, les écoulements réactifs, l'interaction fluide-structure (IFS) et l'électrohydrodynamique (EHD).

Les capacités multiphysiques sont pratiquement illimitées au sein de ce module et d'autres couplages multiphysiques peuvent être ajoutés en combinaison avec d'autres modules complémentaires de la suite logicielle COMSOL. Par exemple, l'utilisation conjointe du module CFD et du module Structural Mechanics permet de simuler l'IFS combinant un écoulement fluide avec une structure en grandes déformations. L'environnement de simulation reste similaire, quel que soit l'objectif de vos modélisations.

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Un modèle de voiture de sport possédant deux rétroviseurs latéraux et deux portières avec des lignes de courant jaunes illustrant l'écoulement de l'avant vers l'arrière de la voiture.
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, le module permet d'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 disposez de manière prédéfinie de modèles rhéologiques génériques pour la viscosité, tels que les modèles Loi de Puissance, Carreau, Bingham, Herschel-Bulkley ou Casson pour faciliter la configuration du modèle.

Il existe également des fonctionnalités pour 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 enrichir des équations de modèle directement dans l'interface utilisateur pour créer des modèles de turbulence qui ne sont pas encore inclus.

Modèles de turbulence RANS

Modèles à viscosité turbulente
  • Algebraic yPlus
  • L-VEL
  • k-ε
  • k-ε réalisable
  • k-ω
  • SST
  • k-ε bas Reynolds
  • Spalart–Allmaras
  • v2-f
Modèles à contrainte de Reynolds
  • Wilcox R-ω
  • SSG–LRR

Traitements des parois

Une vue détaillée de la résolution à la paroi et du champ de vitesse d'un bassin d'épuration.
Lois de parois

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

Une vue rapprochée d'un modèle d'Eppler 387 montrant la transition de la couche limite.
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.

Large Eddy Simulation (LES)

Les modèles de simulation aux grandes échelles (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 à un maillage de couche limite, cette technique donne une description précise d'un champ d'écoulement transitoire ainsi que des flux et des efforts précis aux frontières. Les modèles LES — RBVM (residual-based variational multiscale), RBVMWV (residual-based variational multiscale with viscosity) et Smagorinsky — sont applicables aux écoulements incompressibles et compressibles.

Detached Eddy Simulation (DES)

Les modèles DES (Detached Eddy Simulation) sont la combinaison de modèles RANS et LES (Large Eddy Simulation), dans lesquels un modèle RANS est utilisé dans la couche limite et un modèle LES est utilisé partout ailleurs. La DES combine le modèle de turbulence Spalart–Allmaras avec les modèles LES: RBVM, RBVMWV, ou Smagorinsky. Le traitement de la paroi pour Spalart–Allmaras peut être soit bas Reynolds soit automatique.

L'avantage de la DES est qu'elle requiert un maillage moins dense que la LES au niveau de la couche limite. Cela réduit significativement la mémoire nécessaire et les temps de calcul durant la résolution. Les modèles DES sont applicables aux écoulements monophasiques incompressibles en 3D et résolus par un solveur temporel.

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 d'interface pour modéliser et simuler le comportement de bulles et de gouttelettes, ainsi que les surfaces libres. Dans ce type de cas, en utilisant les méthodes de level set ou de champ de phase, la forme géométrique de l'interface entre les phases peut être décrite en détail, en tenant compte des effets de tension superficielle et des changements de topologie.

Lorsque les bulles, les gouttelettes ou les particules sont petites par rapport à la taille caractéristique du système 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 écoulements à bulles, les modèles de mélange, les modèles Euler-Euler et les modèles 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 quatre 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.

Les modèles Ecoulement en milieu libre et poreux, Brinkman et Ecoulement en milieu libre et poreux, Darcy couplent des écoulements en milieux poreux à des écoulements laminaires ou turbulents (Brinkman) en milieu libre. Les modèles utilisent les équations de Brinkman ou la loi de Darcy pour les milieux poreux et les équations de Navier-Stokes pour les milieux libres.

Les écoulements turbulents en milieux poreux peuvent être simulés en Brinkman avec tout modèle RANS basé sur epsilon- ou omega- avec des contributions supplémentaires provenant de 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.

Modèle de milieu libre et poreux montrant un écoulement turbulent à travers un filtre à air. La vitesse en amont du filtre poreux et les lignes de courant colorées par la pression sont toutes deux affichées dans la palette de couleurs Prisme.
Modèle de tuyère à écoulement supersonique montrant les isosurfaces du nombre de Mach.

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. Les écoulements à haut nombre de Mach sont également disponibles pour l'ensemble des modèles de turbulence RANS.

Dans les deux cas, lors de la résolution de ces modèles, le raffinement automatique du maillage peut être utilisé pour résoudre les ondes de 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. Il est possible de résoudre ce type de problème en utilisant soit une description complète du système rotatif en fonction du temps, soit une approche moyennée basée sur l'approximation Frozen rotor. L'approche Frozen rotor 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, mais pour simuler par exemple l'ouverture et la fermeture de vannes. Des référentiels mobiles peuvent être utilisés par exemple pour résoudre un problème dans lequel 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 avec un graphique de section montrant la norme de la vitesse.
Modèle de roulement autolubrifiant montrant les isovaleurs de pression, l'épaisseur du film et les lignes de courant de la vitesse de Darcy.

Ecoulements en films minces

Pour décrire les écoulements dans des domaines minces, comme des films lubrifiants 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 d'amortissement entre des pièces mobiles en raison de la présence de gaz ou de liquides (par exemple, dans les MEMS). Le couplage prédéfini Ecoulement en film mince et en milieu poreux peut être utilisé pour modéliser l'autolubrification et les écoulements de type squeeze-film.

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.

Ecoulements laminaires non isothermes

Propriétés du fluide et forces d'Archimède dépendantes de la température; température et flux de chaleur continus à travers les frontières solide-fluide.

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

Ecoulements turbulents non isothermes

Formulation bas Reynolds ou avec lois de paroi thermiques pour le transfert de chaleur conjugué aux frontières solide-fluide avec les simulations de type RANS ou LES.

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

IFS : études à couplage monodirectionnel

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

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

IFS: couplage total1

Interaction fluide-structure où l'écoulement génère un effort sur une structure, menant à des déformations importantes qui influencent cet 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 multijet montrant les isosurfaces de concentration.

Ecoulements réactifs avancés2

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

Vue rapprochée d'un modèle de tuyère avec isovaleurs.

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 spécialisées pour les 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 combinant le module CFD avec le module Chemical Reaction Engineering ou le module Liquid & Gas Properties, vous avez également accès à des modèles génériques de 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.

Une 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 présentant le noeud Ecoulement turbulent et ses fonctionnalités ainsi qu'une illustration de résultat d'un modèle d'hydrocyclone 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 plus 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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