Cas concret CFD n°7 — Ventilateur CFD : gaine et radiateur
Un ventilateur de 1,25 m et un radiateur dans la même gaine

Le débit passe-t-il ? La CFD répond avec la pression tout le long de la gaine.

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Ventilateur CFD en gaine, soufflant sur un radiateur : qui gagne, le ventilateur ou l'échangeur ?

Cas concret CFD n°7 sur 9. Les images de cette page sont des copies d'écran du banc Outil CFD HELICIEL (extension PRO CFD/BEM), prises sur un cas réel calculé de bout en bout : aucun chiffre n'est inventé, chaque valeur vient du calcul ou du concepteur Heliciel. Aucune connaissance de la CFD n'est nécessaire pour lire cette page.

Ventilateur et CFD : c'est le problème de tout concepteur de système de refroidissement : un ventilateur, une gaine, un échangeur à ailettes. Le ventilateur pousse, l'échangeur freine. Le débit qui passe vraiment est le résultat de ce bras de fer, et aucune fiche technique ne le donne, puisque chaque fiche décrit son composant seul. Ce cas concret met les deux dans la même gaine et laisse le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement) trancher. Le radiateur est un simple fichier STL déposé dans le domaine : n'importe quel objet de votre CAO peut prendre sa place.

ventilateur CFD en gaine : coupe verticale de pression, saut de pression au ventilateur puis chute a travers le radiateur
La coupe de pression dans l'axe de la gaine raconte toute l'histoire : l'air arrive de la droite (vert), le ventilateur le comprime (orange), le radiateur à ailettes le détend (retour au vert). Le bandeau en haut rappelle le régime, la puissance, le couple et la poussée du calcul.

  1. L'installation
  2. La CFD d'un ventilateur en conduit : un calcul plus lourd qu'une hélice libre
  3. La pression le long de la gaine
  4. Le débit du ventilateur en CFD, et le verdict
  5. La vitesse entre les ailettes
  6. À retenir

1 : L'installation

Ventilateur7 pales, diamètre 1,25 m, moyeu ∅ 0,40 m, 960 tr/min (64 m/s en bout de pale)
Gainecylindrique, diamètre intérieur 1,30 m, écoulement entièrement guidé
Radiateuréchangeur à ailettes (fichier STL), placé 1,5 m en aval du ventilateur, dans toute la section
Air1,3 kg/m³ (air froid), vitesse moyenne de 12,3 m/s dans la gaine
Concepteur Heliciel (BEM)479 N de poussée, 75 N·m de couple, ventilateur seul

vue d ensemble du cas CFD : gaine cylindrique, ventilateur 7 pales et radiateur a ailettes insere
Le cas tel qu'il est construit dans le banc : la gaine (fil de fer blanc), le ventilateur au centre, et à gauche les ailettes bleues du radiateur inséré. L'objet a été positionné dans l'onglet Insertion, à la souris ou en donnant sa position en mètres.

2 : La CFD d'un ventilateur en conduit : un calcul plus lourd qu'une hélice libre

Une gaine fermée coûte plus cher qu'un rotor à l'air libre : l'air doit être décrit partout entre le ventilateur et la paroi, et les ailettes du radiateur multiplient les surfaces. Le préréglage Conduit Level 3 a produit 6,5 millions de cellules en 4 h 35 sur un PC de bureau à 6 cœurs, et la première phase du calcul a pris 18 minutes. C'est un calcul de nuit, pas de pause-café ; le banc l'annonce à l'avance dans son estimation, à côté de la liste des préréglages, et un Conduit Level 1 aurait fait un premier tour d'horizon en dix fois moins de temps.

panneau de resultats CFD du ventilateur en gaine : poussee, couple, puissance, elevation de pression et debit
Le panneau de résultats. Outre la poussée et le couple, une gaine fermée fait apparaître deux lignes qui n'existent pas pour une hélice libre : la variation de pression entre l'entrée et la sortie de la gaine, et le débit. Le panneau rappelle aussi que la paroi de la gaine et le moyeu sont traités sans frottement, un choix du préréglage.

3 : La pression le long de la gaine

pression sur la paroi de la gaine, le ventilateur et le radiateur : orange entre ventilateur et radiateur, vert apres
La pression colorée sur toutes les parois. La gaine est verte à droite (air aspiré, pression légèrement basse), orange entre le ventilateur et le radiateur (l'air comprimé qui attend de traverser les ailettes), puis de nouveau verte à gauche, après le radiateur. Le radiateur lui-même est vert : c'est lui qui a consommé la surpression.

La lecture est celle d'un manomètre que l'on promènerait le long de la gaine. Le ventilateur monte la pression ; le radiateur la fait retomber. Ce que la CFD ajoute au raisonnement, c'est la valeur et la répartition : la surpression n'est pas uniforme sur la section, elle est plus forte vers la paroi qu'au centre, derrière le moyeu.

4 : Le débit du ventilateur en CFD, et le verdict

Débit massique (entrée et sortie de gaine)21,1 kg/s, conservé à 0,03 % près
Débit volumique à 1,3 kg/m³16,3 m³/s
Variation de pression statique, entrée → sortie−22 Pa
Variation de pression totale, entrée → sortie−17 Pa
Poussée du ventilateur, CFD289 N (concepteur : 479 N)
Puissance à l'arbre, CFD5,3 kW

Le signe est le verdict. Entre l'entrée et la sortie de la gaine, la pression baisse de 22 Pa : le radiateur retient un peu plus que le ventilateur ne pousse. Le banc le dit lui-même dans sa note de résultat : « un Δp négatif signifie que l'objet retient plus que le rotor ne pousse, pas que le rotor abaisse la pression ». Concrètement, ce ventilateur, à ce régime, ne suffit pas tout à fait à faire passer 16 m³/s à travers cet échangeur en gaine droite : il faudrait soit un peu plus de régime, soit un échangeur moins serré, soit accepter un débit plus faible. C'est exactement la question que se pose un bureau d'études, et la réponse tient en un nombre signé.

Deux remarques pour bien lire ce nombre. La pression de sortie est celle qu'on impose au bout de la gaine, elle n'est pas mesurée : le Δp est donc relatif à cette sortie. Et la paroi de la gaine étant sans frottement dans ce préréglage, le Δp ne contient pas la perte de charge de la virole elle-même, qu'un calcul de tuyauterie classique ajoute sans difficulté.

La poussée CFD du ventilateur (289 N) est nettement sous celle du concepteur (479 N) : le radiateur en aval change le point de fonctionnement du ventilateur, qui ne travaille plus dans les conditions où il a été dessiné. C'est un résultat de l'installation, pas une erreur de l'un ou de l'autre.

5 : La vitesse entre les ailettes

coupe verticale de vitesse dans la gaine : acceleration de l air entre les ailettes du radiateur
La même coupe, colorée par la vitesse. Entre les ailettes du radiateur, à gauche, l'air accélère (traînées rouges) : la section de passage est réduite. C'est cette accélération, puis le ralentissement qui suit, qui coûte la pression. En bout de pale, les taches bleues et rouges sont le jet du ventilateur vu en coupe.

6 : À retenir

Les cas concrets CFD

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  3. Hélice avion CFD : croisière et point fixe
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  6. Hydrolienne CFD : un rotor de 16 m dans le courant
  7. Ventilateur CFD : gaine et radiateur (vous êtes ici)
  8. Ventilateur caréné CFD : extraction
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Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.