Une machine axiale confinée — ventilateur de gaine, turbine bulbe, pompe hélice, propulseur en tuyère — ne se calcule pas comme une hélice en air libre. Tout le débit passe par le conduit, la paroi du conduit fait partie du problème, et le jeu en bout de pale devient une grandeur de premier ordre. Ce didacticiel montre ce que cela coûte, ce que cela donne, et où la chaîne actuelle atteint ses limites — car c'est la configuration la plus difficile du banc, et il vaut mieux le savoir avant de lancer un calcul de deux heures.

• Prérequis : une hélice carénée dans Heliciel — ici le modèle ventilateur livré ;
• Durée du cas montré ici : 1 h 35 de maillage au préréglage le plus léger, 3 min 35 de Phase 1 ;
• Ce que vous en tirez : un champ de pression lisible dans la gaine, et la capacité de reconnaître un maillage de conduit qui ne tiendra pas.

• Déroulé du didacticiel :

1. Quatre configurations, pas une
2. La machine étudiée, et sa référence BEM
3. Le domaine cylindrique et son coût
4. Les préréglages conduit
5. Les conditions de paroi appliquées
6. Lire le résultat — et le relativiser
7. Reconnaître un maillage de conduit qui ne tiendra pas
8. La Phase 2 en conduit, et son avertissement

1 : Quatre configurations, pas une

Le banc distingue quatre familles de cas, et le choix se fait à la création :

• aile ou profil : domaine parallélépipédique, solveur stationnaire ;
• hélice libre : rotor sans carénage, domaine boîte, Phase 1 MRF puis Phase 2 glissante ;
• hélice carénée en écoulement libre : le carénage est là, mais le fluide peut le contourner — tuyère Kort, propulseur de drone ;
• conduit fermé : tout le débit traverse la machine, la paroi du conduit ferme le domaine. C'est le sujet de cette page.

Quand vous créez le cas depuis une hélice carénée, Heliciel pose la question : écoulement libre ou conduit ? Répondez conduit pour un ventilateur de gaine, une turbine en conduite forcée, une pompe hélice. La réponse change le domaine, les conditions aux limites et le catalogue de préréglages — elle ne se rattrape pas après coup.

2 : La machine étudiée, et sa référence BEM

Le modèle ventilateur livré avec Heliciel sert d'exemple. Comme tout modèle livré, il s'ouvre avec un point de design à zéro : lancez Analyser le point de fonctionnement avant de passer en CFD, sinon la référence BEM du dossier de cas vaudra zéro.

Le rendement de 0,206 n'est pas une anomalie : sur un ventilateur, le « rendement propulsif » au sens hélice n'a pas le sens qu'il a sur un avion. Ce qui compte pour une machine de gaine, c'est le couple pression-débit — et c'est le saut de pression, 103 Pa ici, qu'il faut retrouver dans le calcul CFD.

3 : Le domaine cylindrique et son coût

En conduit fermé, le domaine n'est plus une boîte : c'est un cylindre maillé en O-grid, cinq blocs, avec une entrée, une sortie et une paroi de conduit. La géométrie de la machine y est insérée avec son carénage. Conséquence directe : le maillage est beaucoup plus lourd que sur une hélice libre, à préréglage nominalement équivalent.

Sur notre ventilateur, au préréglage Conduit Level 1 — celui qui s'appelle « Smoke : test rapide » — :

À titre de comparaison, le préréglage le plus léger d'une hélice libre maille en 50 secondes pour 15 000 cellules. Le rapport est de cent. Prévoyez votre temps en conséquence : en conduit fermé, il n'existe pas de préréglage « pour voir ». Le plus léger du catalogue est déjà un calcul de soirée.

4 : Les préréglages conduit

Le catalogue change avec la configuration. En conduit fermé, il n'y a que quatre niveaux, et ils sont beaucoup plus resserrés que les huit niveaux de l'hélice libre :

Deux remarques utiles. Les niveaux 3 et 4 partagent la même géométrie de maillage : ce qui les sépare, c'est le soin mis à la convergence du snapping et de la pile de couches, pas la finesse. Et la grille de fond ne bouge pas d'un niveau à l'autre : en conduit, l'essentiel du coût vient du raffinement autour de la machine, pas du domaine.

5 : Les conditions de paroi appliquées

Le panneau de résultats affiche les conditions aux limites effectivement posées, et c'est un réflexe à prendre en conduit fermé — elles ne sont pas celles d'une hélice libre :

La paroi sans frottement est un choix assumé de la chaîne : empiler des couches limites sur la paroi du conduit, en plus de celles des pales, produit dans ce contexte des cellules qui se croisent au jeu de bout et fait échouer le maillage. C'est la raison d'être de la section suivante. Elle a un prix : les pertes de charge par frottement pariétal ne sont pas modélisées. Pour un ventilateur, cela signifie que le calcul donne la machine, pas le réseau.

6 : Lire le résultat — et le relativiser

Le ventilateur dans sa gaine, lignes de courant et pressions de surface. Le saut de pression se lit de part et d'autre du plan de rotor : aval en rouge, amont en vert.

Pressions de surface, modèle 3D masqué. Comme partout dans le banc : décochez le modèle 3D pour voir le champ, sinon le STL gris se dessine par-dessus.

Les forces, en revanche, demandent de la prudence. Sur notre cas :

Le banc apporte ici un second témoignage, indépendant des forces de paroi : il compare le couple lu sur les surfaces au couple déduit du bilan de moment cinétique du fluide qui traverse le rotor. Les deux devraient coïncider. Ils donnent 52,2 N·m contre 34,0 N·m, soit un rapport de 1,53 là où on attend 1 — et le banc le signale en avertissement. Un tel écart ne se rattrape pas par un réglage de solveur : il dit que le maillage ne transporte pas fidèlement la quantité de mouvement dans la zone du rotor.

Poussée doublée, couple amputé d'un tiers : ces deux écarts ne vont pas dans le même sens, et c'est le signe qu'il ne s'agit pas d'un simple défaut de résolution. Le champ contient d'ailleurs une vitesse maximale de 565 m/s pour une machine dont le bout de pale tourne à 64 m/s — un extremum local, produit par quelques cellules dégénérées, qui suffit à fausser toute échelle de couleur automatique. Ce résultat est un résultat de configuration, pas un résultat de machine : il ne faut pas le citer comme performance du ventilateur.

Le panneau de résultats en conduit fermé : il rappelle les conditions de paroi appliquées avant de donner les forces. Lisez-les d'abord.

7 : Reconnaître un maillage de conduit qui ne tiendra pas

Le banc analyse checkMesh et rend un indice de fiabilité. Sur notre maillage, 52 %, avec le détail suivant :

Les deux lignes qui comptent sont la skewness et les cellules quasi dégénérées. Une cellule de déterminant quasi nul a un volume effectif proche de zéro : les gradients y explosent, et c'est de là que sortent les 565 m/s. Le diagnostic du banc est sans ambiguïté sur ce point — il annonce une divergence structurelle en Phase 2.

Ces défauts se concentrent dans une zone connue : le jeu en bout de pale, où le maillage doit loger des cellules entre la pale tournante et la paroi du conduit, sur une épaisseur de quelques millimètres. C'est le point dur de toute la configuration, et il fait l'objet d'un travail en cours : si votre calcul en conduit produit ces signatures, ce n'est pas une erreur de votre part.

Coupe verticale des vitesses axiales dans la gaine : le débit est confiné, il n'a nulle part où se détendre — c'est toute la différence avec une hélice libre.

Coupe cylindrique à 40 % du rayon : la surface déroulée coupe les sept pales et montre le conduit sur toute sa longueur.

8 : La Phase 2 en conduit, et son avertissement

La Phase 2 en maillage glissant est possible en conduit fermé, mais elle demande un maillage sain. Avec une skewness de 7 et des cellules de volume quasi nul, le pas de temps s'effondre dès les premiers tours et le calcul n'avance plus : c'est ce que le banc annonce dans son diagnostic, et il a raison de le dire avant plutôt qu'après deux heures de calcul.

La conduite à tenir, dans l'ordre :

1. lisez l'indice de fiabilité et le détail checkMesh avant de lancer la Phase 2 ;
2. si des cellules quasi dégénérées sont signalées, ne lancez pas : remaillez au niveau supérieur, qui soigne davantage la convergence du snapping ;
3. l'overlay « cellules problématiques » du menu Affichage surligne en rouge les cellules à très petit volume et écrit un rapport complet dans le journal — c'est l'outil qui vous dit où le maillage a cédé ;
4. si le jeu de bout est la cause, le préréglage Level 3 le coupe délibérément pour garder un maillage sain : c'est un compromis, pas un défaut.

Pour les machines confinées dont la Phase 2 passe, tout ce que décrit le didacticiel n°5 s'applique sans changement. Et pour une machine captrice en conduit — turbine bulbe, Kaplan, conduite forcée — la lecture des signes est celle du didacticiel n°14 : couple positif, machine qui produit.

La collection des vingt didacticiels CFD

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1. Première simulation CFD d'hélice
2. Lire le dossier de cas OpenFOAM
3. Choisir son préréglage de maillage
4. La zone MRF et la Phase 1
5. La Phase 2 en maillage glissant
6. Confronter le BEM et la CFD
7. Lire la convergence d'un calcul
8. Les modèles de turbulence
9. Couche limite et y+
10. Lire une carte de pression
11. D'où viennent les forces
12. Vérifier une polaire de profil
13. Hélice marine et cavitation
14. Éolienne et hydrolienne
15. Ventilateur en conduit fermé (vous êtes ici)
16. Hélice d'avion, croisière et point fixe
17. La boucle d'optimisation
18. Se caler sur une référence
19. De la carène à l'hélice
20. Le dossier de calcul livrable

Cette série accompagne les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. La CFD vient après eux, pour vérifier et pour voir.