Un calcul qui s'arrête n'est pas un calcul qui a convergé. C'est la distinction la plus utile de toute la pratique CFD, et celle qui sépare un résultat publiable d'un nombre sans valeur. Ce didacticiel de convergence calcul CFD apprend à la faire, en direct, dans l'onglet Journal d'Heliciel PRO CFD/BEM.

• Prérequis : un cas maillé, prêt à calculer ;
• Durée : le temps d'un calcul, passé à le regarder au lieu de l'attendre ;
• Ce que vous en tirez : savoir, avant la fin, si un calcul mérite d'être mené à son terme.

• Déroulé du didacticiel :

1. Les deux critères, et pourquoi il en faut deux
2. Lire les résidus
3. Lire la stabilisation des forces
4. Régler le calcul parallèle
5. Arrêt propre et reprise
6. Reconnaître une divergence

1 : Les deux critères, et pourquoi il en faut deux

La convergence calcul CFD se juge sur deux critères indépendants, et Heliciel les suit tous les deux.

Le premier est le résidu : à chaque itération, le solveur mesure de combien sa solution ne satisfait pas encore les équations. Un résidu qui descend de plusieurs ordres de grandeur indique que le système est en train d'être résolu.

Le second est la stabilisation des forces : on regarde la grandeur qui intéresse l'ingénieur — poussée, couple, portance — et on vérifie qu'elle ne bouge plus.

Pourquoi deux ? Parce qu'ils échouent différemment. Un calcul peut afficher des résidus bas et des forces qui dérivent encore lentement : la solution est cohérente localement mais l'écoulement global n'est pas établi. Inversement, des forces stables avec des résidus élevés signalent souvent un blocage numérique, pas une convergence. Aucun des deux ne suffit seul.

L'onglet Journal pendant la résolution : le résidu de chaque équation, itération après itération

2 : Lire les résidus

Le résidu cible ne se saisit pas : il fait partie de ce que le préréglage solveur apporte, avec l'algorithme, les schémas et les relaxations. Dans le cadre Solveur OpenFOAM de l'onglet Paramètres, on ne vous demande qu'une chose — le préréglage — et la liste proposée dépend du type de cas ouvert :

Une hélice n'offre donc qu'un seul préréglage solveur. Ce n'est pas une pauvreté de l'interface, c'est le résultat d'un tri : les combinaisons qui tiennent sur un rotor ont été essayées, et une seule a été retenue. La véritable décision est ailleurs — dans le préréglage de maillage, huit niveaux pour un rotor libre, quatre pour un conduit fermé — et l'estimation affichée juste à côté vous donne, pour chacun d'eux, le nombre de cellules et le temps de maillage attendus, déduits des cas déjà passés sur cette machine. Choisir en CFD, ici, c'est arbitrer entre précision et durée ; le reste est déjà fait.

Ce qu'il faut regarder, ce n'est pas la valeur absolue mais la pente. Des résidus qui descendent régulièrement de 1e-1 vers 1e-5 sont sains. Des résidus qui stagnent sur un plateau à 1e-2 pendant des centaines d'itérations disent que quelque chose bloque — le plus souvent la qualité du maillage.

3 : Lire la stabilisation des forces

Le moniteur de forces compare la moyenne de la force sur deux fenêtres temporelles glissantes, et considère la convergence atteinte quand la variation relative passe sous un seuil de l'ordre du pour cent. Il écrit son verdict en clair dans les logs, avec la variation obtenue et l'objectif visé.

Pour un rotor, ce moniteur lit les forces sur les pales seules, moyeu exclu, et les compare aussi à la référence BEM du projet. Cette double lecture est précieuse : une force qui se stabilise très loin de la valeur BEM se stabilise sur un artefact.

En Phase 2 instationnaire, la notion change de nature. Les forces oscillent à la fréquence de passage des pales et n'ont aucune raison de devenir constantes : le résultat est la moyenne sur le dernier tour, et la convergence signifie que cette moyenne ne dérive plus d'un tour à l'autre.

La stabilisation des forces : deux fenêtres glissantes comparées, et le seuil sous lequel le calcul s'arrête

4 : Régler le calcul parallèle

Cadre Process de l'onglet Paramètres. Le nombre de processus découpe le domaine en autant de sous-domaines, calculés en parallèle puis recollés.

La recommandation est constante : utilisez le nombre de cœurs physiques de la machine, pas le nombre de cœurs logiques. L'hyperthreading n'apporte rien à un calcul limité par la bande passante mémoire, et il dégrade souvent le résultat en temps.

Le bouton Diagnostic matériel de l'onglet Guide inventorie ce dont dispose la machine et signale ce qui manque à la chaîne — c'est le premier endroit où regarder quand un maillage parallèle refuse de démarrer.

Sachez enfin que le maillage lui aussi est parallélisé : le domaine est découpé avant l'étape de collage à la géométrie, puis reconstruit ensuite. C'est pourquoi un dossier de cas contient temporairement des sous-dossiers par processeur.

5 : Arrêt propre et reprise

Quand la convergence est détectée, le solveur ne s'interrompt pas brutalement : il termine son itération, écrit les champs, et s'arrête. C'est ce qui rend le cas relisable.

Le bouton Stop de la barre d'outils demande le même arrêt propre à la main. À utiliser sans hésiter quand les logs montrent que le calcul ne mène nulle part : rien n'est perdu, le cas garde son dernier état écrit.

Pour reprendre : Fichier > Ouvrir un cas CFD, désignez le dossier, et relancez. Heliciel détecte le type de cas, l'état du maillage, et pour un rotor la phase atteinte. Un calcul interrompu redémarre depuis sa dernière sauvegarde, pas depuis le début.

L'arrêt propre : le solveur écrit ses champs avant de rendre la main, et le cas reste relisable

6 : Reconnaître une divergence

Les signaux qui doivent vous faire arrêter un calcul sans attendre :

• Des résidus qui remontent, franchement et durablement. Une remontée passagère au démarrage est normale ; une croissance continue ne l'est pas ;
• Des forces qui explosent en quelques itérations, souvent avec des valeurs sans rapport physique ;
• Un pas de temps qui s'effondre en Phase 2. Le régulateur de pas de temps rétrograde quand la stabilité se dégrade ; s'il descend sans jamais remonter, une zone du maillage étrangle le calcul. Le menu Affichage > Surligner cellules problématiques désigne les cellules de très petit volume qui en sont généralement responsables ;
• Une étape de maillage qui n'avance plus, en particulier l'empilement des couches limites. Un maillage qui piétine des heures sur la même itération ne se débloquera pas tout seul.

Le remède, sur une hélice, tient en une ligne : monter d'un cran de préréglage de maillage. C'est contre-intuitif — on alourdit le calcul pour le stabiliser — mais une surface mieux résolue vaut toujours mieux qu'un solveur bridé, et c'est de toute façon le seul levier que l'interface vous laisse, le préréglage solveur étant unique pour un rotor. Sur une aile ou un objet, essayez d'abord le préréglage solveur Stable, conçu pour les géométries qui résistent ; s'il ne suffit pas, montez le maillage.

La barre d'état pendant un calcul : mémoire, processeur et temps — les trois chiffres à surveiller

La collection des vingt didacticiels CFD

« Précédent : Confronter le BEM et la CFD  |  Suivant : Les modèles de turbulence »

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 (vous êtes ici)
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
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.