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

Un ventilateur en CFD, c'est d'abord le problème de tout concepteur de système de refroidissement : un ventilateur, une gaine, un échangeur à ailettes. Le ventilateur pousse, l'échangeur freine. Le ventilateur suffit-il à faire passer le débit voulu à travers l'échangeur ? Aucune fiche technique ne répond, 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 (le format de surfaces 3D qu'exportent tous les logiciels de CAO) déposé dans le domaine : n'importe quel objet de votre CAO peut prendre sa place.

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.

• Au sommaire :

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

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 bien plus vite : l'estimation en donne la durée avant de lancer.

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

La pression colorée sur toutes les parois, vue de l'aval du ventilateur. La gaine est verte à droite (air aspiré, pression légèrement basse) et orange entre le ventilateur et le radiateur (l'air comprimé qui attend de traverser les ailettes). Les ailettes du radiateur, à gauche, sont vertes : c'est lui qui a consommé la surpression. La zone située après le radiateur sort du cadre de cette image.

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, lue au panneau de résultats, et la répartition, lue sur la coupe de pression en tête de page.

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

Le débit n'est pas un résultat du calcul : c'est la vitesse imposée à l'entrée de la gaine, 12,3 m/s, qui le fixe. Le banc calcule ce qu'il en coûte en pression de faire passer ce débit à travers le ventilateur et le radiateur, et c'est le signe de ce Δp (la différence de pression entre l'entrée et la sortie) qui fait 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 des pales (270 N, 289 N avec le moyeu) est nettement sous celle du concepteur (479 N, pales seules). Le radiateur en aval change probablement le point de fonctionnement du ventilateur, qui ne travaille plus dans les conditions où il a été dessiné ; ce seul calcul ne permet pas de faire la part de cet effet et de celle de la méthode.

5 : La vitesse entre les ailettes

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. Les damiers vert et cyan à droite sont un effet d'échantillonnage de la coupe, pas une structure de l'écoulement.

6 : À retenir

• Un objet de votre CAO se dépose dans le domaine en STL, et la CFD calcule le système complet, pas les composants séparés.
• Le verdict tient en un nombre signé : la variation de pression entre l'entrée et la sortie de la gaine, ici −22 Pa. Négatif, l'échangeur gagne ; positif, le ventilateur a de la marge.
• Le débit de 16,3 m³/s est imposé à l'entrée, et conservé à 0,03 % jusqu'à la sortie : la CFD ne perd pas d'air en route. Ce qu'elle calcule, c'est la pression qu'il faut pour le faire passer.
• Une gaine fermée est un calcul lourd : 6,5 millions de cellules et une nuit de maillage au Level 3. Commencer au Level 1, lire l'estimation avant de lancer.

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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.