CFD ventilateur industriel : didacticiel du calcul en conduit fermé

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 : 4 h 35 de maillage au préréglage Conduit Level 3, 18 min 39 de Phase 1 ;
• Ce que vous en tirez : un champ de pression et de vitesse 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, placé dans une gaine cylindrique avec un radiateur à ailettes (un fichier STL déposé dans l'onglet Insertion, 1,5 m en aval du rotor). 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 banc ajoute une remarque dès la création du cas, et elle compte pour la suite : « Jeu en tête non modélisé par la BEM : le plan rotor offre 9,1 % de section de plus que l'anneau BEM. Le débit du calcul CFD dépasse d'autant celui de la BEM ; un accord à ce niveau ne serait pas physique. » En conduit fermé, la référence BEM n'est donc qu'un ordre de grandeur : la machine du calcul CFD n'est pas exactement celle du concepteur.

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, dans lequel la machine et l'objet inséré sont découpés. Conséquence directe : le maillage est beaucoup plus lourd que sur une hélice libre.

La même installation — ventilateur, gaine et radiateur — a été maillée à deux préréglages consécutifs :

Un cran de préréglage multiplie ici le nombre de cellules par 4,7 et la durée du maillage par 2,7. À titre de comparaison, le préréglage le plus léger d'une hélice libre maille en 49 secondes pour 15 246 cellules (hélice de bateau, Libre Level 1). Prévoyez votre temps en conséquence : en conduit fermé, même le premier cran est un calcul de soirée, et le suivant un calcul de nuit. Seul le Level 3 a été calculé ensuite ; c'est lui que la suite de la page exploite.

4 : Les préréglages conduit

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

Deux remarques utiles. Le coût indiqué est celui du catalogue : sur le cas de cette page, le passage du Level 2 au Level 3 a coûté bien plus que le « ×1,1 → ×1,5 » annoncé. Et 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.

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. Elle a un prix : les pertes de charge par frottement sur la paroi de la gaine ne sont pas modélisées. Et comme la vitesse est imposée à l'entrée, le débit n'est pas un résultat : c'est la pression nécessaire pour le faire passer que le calcul donne.

6 : Lire le résultat — et le relativiser

Pression de surface, Phase 1 : bleu sur le dos des pales (dépression), paroi de la gaine orange entre le ventilateur et le radiateur, là où l'air comprimé attend de traverser les ailettes. L'échelle en pascals absolus est en haut à droite.

Les lignes de courant, colorées par la vitesse axiale, traversent le rotor puis se glissent entre les ailettes du radiateur. L'échelle de vitesse, à gauche, va de 4 à 23 m/s.

Le verdict de l'installation tient en un nombre signé, que le panneau calcule entre l'entrée et la sortie de la gaine : −22,1 Pa de pression statique (−17,5 Pa en pression totale), pour un débit de 21,1 kg/s conservé à 0,03 % près. Négatif, il dit que le radiateur retient un peu plus que le ventilateur ne pousse à ce débit. C'est la lecture détaillée du cas concret n°7, qui porte sur ce même calcul.

Les forces, en revanche, demandent de la prudence :

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. Le journal écrit :

[Audit Euler] Couple fluide (Euler)=-30.34 Nm, couple surfaces (pales+hub)=-52.68 Nm, captage=174% -> AVERTISSEMENT
[Audit Euler]   -> le moment cinetique retire au fluide n'est pas converti en effort sur les pales :
[Audit Euler]      dissipation numerique dans la zone rotor. Le ratio CFD/BEM n'est PAS interpretable.
[Audit Euler]      Remede : preset superieur (raffinement zone pales) et/ou couches limites > 0.

Autrement dit, le couple lu sur les surfaces vaut 1,74 fois ce que le fluide a réellement perdu en rotation. 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. Le champ contient d'ailleurs une vitesse maximale de 747 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. Ces forces sont un résultat de configuration, pas un résultat de machine : ne les citez pas comme performance du ventilateur.

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

Coupe normale à l'axe, juste derrière le rotor, colorée par la vitesse axiale : l'empreinte des sept pales se lit dans l'anneau, et la couronne bleue le long de la paroi signale l'air ralenti au jeu de bout. Les carreaux visibles sur le pourtour sont les cellules du maillage.

Coupe verticale colorée par la viscosité turbulente. L'échelle va du bleu (nulle) au rouge (maximale, 0,039 m²/s). À ce maillage, le rotor n'en crée presque pas ; c'est dans les ailettes du radiateur et derrière elles que la turbulence apparaît. Le bandeau gris rappelle les grandeurs du calcul.

7 : Reconnaître un maillage de conduit qui ne tiendra pas

Le banc analyse checkMesh à la fin du maillage, et rend un indice de fiabilité en fin de calcul : 52 % sur ce cas, jugé « Acceptable ». Le détail est écrit dans le journal :

Heliciel Hybrid BEM/CFD (snappyHexMesh): Finished meshing with 563 illegal faces (concave, zero area or negative cell pyramid volume)
Heliciel Hybrid BEM/CFD (checkMesh): ***Error in face tets: 1 faces with low quality or negative volume decomposition tets.
Heliciel Hybrid BEM/CFD (checkMesh): ***Cells with small determinant (< 0.001) found, number of cells: 139
Heliciel Hybrid BEM/CFD (checkMesh): ***Concave cells (using face planes) found, number of cells: 323 018
Heliciel Hybrid BEM/CFD (checkMesh): ***Faces with small interpolation weight (< 0.05) found, number of faces: 65
Heliciel Hybrid BEM/CFD (checkMesh): Failed 5 mesh checks.
Solver: checkMesh métriques — skewness max=13.14 (seuil 4), faceTets négatifs=1, cellules det<0.001=139, régions=0, checks échoués=5

Les deux lignes qui comptent sont la skewness (13,14 pour un seuil de 4) et les 139 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 747 m/s. Le banc l'écrit en clair dans son diagnostic : « divergence structurelle garantie » 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. L'overlay Affichage > Surligner cellules problématiques les compte et les localise : sur ce cas, 47 cellules tombent sous le centième du volume médian, et leur rapport complet — histogrammes azimutal, radial et axial — s'écrit dans le journal. Les marqueurs, eux, sont minuscules à l'échelle d'une gaine de 1,3 m : lisez le rapport plutôt que l'image.

8 : La Phase 2 en conduit, et son avertissement

La Phase 2 en maillage glissant n'est possible en conduit fermé qu'à partir du Level 3 : les niveaux 1 et 2 n'ont pas de couches limites, et le banc refuse de lancer la Phase 2 sur un maillage sans couches. Le cas de cette page, au Level 3, remplit cette condition. Il n'a pas été poursuivi en Phase 2, pour deux raisons que le banc affiche lui-même : son diagnostic de maillage annonce une divergence, et quand on coche la Phase 2 sur un conduit fermé, il prévient qu'elle coûte de 50 à 300 heures par tour et que la Phase 1 suffit pour les forces moyennes. En conduit fermé, la Phase 2 est de toute façon limitée à 0,3 tour, pour les quatre préréglages.

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. Le remède que le banc propose lui-même est un préréglage supérieur ; passer du Level 1 au Level 2 n'ajoute ni couches limites ni cellules de surface et ne rend pas la Phase 2 possible, les niveaux 3 et 4, eux, portent une couche limite et coupent le jeu de bout ;
3. l'overlay « cellules problématiques » dit où le maillage a cédé ;
4. si le jeu de bout est la cause, les préréglages Level 3 et Level 4 le coupent 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.

Version courte et sans jargon de ce didacticiel : le cas concret ventilateur CFD avec un radiateur dans la gaine.