Comprendre un résultat CFD en cinq images

Vous concevez des systèmes avec des hélices, des ventilateurs ou des ailes, et vous n'êtes pas spécialiste de la mécanique des fluides numérique. Cette page est faite pour vous. Le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement) d'Heliciel PRO produit toujours les mêmes cinq images, quelle que soit la machine. Une fois qu'on sait les lire, tous les cas concrets de cette collection se lisent d'un coup d'œil.

D'abord, le principe en une phrase : le concepteur Heliciel calcule votre machine tranche par tranche, vite et bien, avec la méthode des éléments de pale (BEM) ; le banc CFD remplit ensuite tout l'espace autour d'elle de petites cellules d'air ou d'eau et résout l'écoulement dans chacune. Le premier donne les chiffres de conception ; le second les vérifie et montre le fluide. Vous n'avez rien à régler : un préréglage de maillage à choisir dans une liste, deux boutons, et le banc fait le reste.

Résultat CFD, image 1 : la pression sur la peau

Une hélice de bateau vue de l'amont. Bleu : le fluide aspire. Rouge : le fluide appuie. Vert : rien ne se passe.

C'est l'image la plus parlante. Chaque point de la pale est coloré par la pression que le fluide y exerce. Une pale qui travaille est bleue d'un côté et rouge de l'autre : la différence fait la poussée. Le nez du moyeu rouge est le point d'arrêt, où le fluide vient buter de face. Deux gestes pour la lire : décochez le Modèle 3D pour que la forme grise ne recouvre pas les couleurs, et lisez l'échelle à droite, en pascals : son minimum est la pression la plus basse du calcul, celle qui décide de la cavitation dans l'eau.

Image 2 : les lignes de courant

Une hélice d'avion au point fixe : l'air vient de partout et ressort en jet.

Chaque ligne est le trajet d'une particule de fluide, colorée par sa vitesse. Elles disent d'où vient le fluide et où il va : droites et parallèles autour d'une aile saine, resserrées derrière une hélice qui pousse, écartées derrière une éolienne qui freine, enroulées là où l'écoulement décroche. C'est l'image qui répond à « que fait le fluide autour de ma machine ? ».

Image 3 : la coupe

Le vent, coupé dans un plan vertical, autour d'une éolienne : il ralentit (bleu) en traversant le rotor.

La coupe colore le fluide lui-même dans un plan que vous choisissez : vertical le long de l'axe pour voir le jet ou le sillage, perpendiculaire à l'axe pour voir la section du tube de courant, cylindrique pour suivre la pale à un rayon donné. On y affiche la vitesse ou la pression. C'est l'image des ordres de grandeur : combien le fluide accélère, jusqu'où le sillage s'étend, où la pression saute. Un clic sur la coupe donne la valeur exacte au point cliqué.

Image 4 : la coupe en travers

Derrière une hélice de 7 pales qui tourne : l'empreinte de chaque pale dans l'air.

Le même outil, dans un plan perpendiculaire à l'axe. Il montre ce qu'une vue de côté cache : la couronne active des pales, le cœur ralenti derrière le moyeu, et sur un calcul en rotation réelle, l'empreinte de chaque pale. C'est l'image qui dit si le fluide travaille uniformément sur le disque ou si une partie de la pale ne sert à rien.

Résultat CFD, image 5 : le panneau de résultats

Le panneau de résultats d'une hélice de bateau : la référence du concepteur en haut, les forces calculées par la CFD en dessous.

Pas une image, mais c'est là qu'on finit. Le panneau donne les forces sur les pales, la puissance à l'arbre, le rendement, et rappelle juste au-dessus ce que le concepteur avait annoncé. L'écart entre les deux est le vrai résultat du calcul. Trois habitudes à prendre :

• Lire les alertes d'abord. Le banc écrit lui-même quand une grandeur n'est pas fiable, par exemple « couple non fiable » sur une éolienne à faible charge. Une alerte n'invalide pas le calcul, elle dit quelle ligne ne pas prendre au pied de la lettre.
• Les efforts axiaux sont robustes, les couples sont fragiles. Poussée, traction, portance sont des sommes sur toute la surface : elles bougent peu d'un maillage à l'autre. Le couple d'une machine peu chargée est une petite différence entre deux grands termes, il demande un maillage fin.
• Un écart avec le concepteur n'est pas une erreur. Sur une hélice à pales larges, la CFD voit les pales se gêner et trouve moins ; sur un ventilateur derrière un obstacle, elle voit l'installation et trouve autre chose. L'écart est une information sur votre machine.

Les deux phases du calcul, en deux lignes

Pour une hélice, le banc enchaîne deux calculs. Le premier fige l'hélice et simule la rotation : rapide, il donne les forces moyennes et toutes les images ci-dessus. Le second fait tourner l'hélice pour de vrai : plus long, il ajoute la fluctuation des forces à chaque passage de pale, celle qui fait vibrer et qui s'entend, et il est indispensable quand rien ne vient de l'amont, comme au point fixe. Le banc enchaîne les deux si vous le lui demandez, et s'arrête seul quand les forces sont stables.

Et maintenant

Chaque cas concret de la collection applique cette lecture à une machine réelle, calculée de bout en bout : une hélice de bateau et sa cavitation, une hélice d'avion en croisière et au point fixe, une éolienne et une hydrolienne, deux ventilateurs avec leur installation, une aile. Commencez par la machine qui ressemble à la vôtre.

Les cas concrets CFD

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1. Comprendre un résultat CFD en cinq images (vous êtes ici)
2. Hélice bateau CFD : poussée et pression sur les pales
3. Hélice avion CFD : croisière et point fixe
4. Hélice drone CFD : vol stationnaire
5. Éolienne CFD : puissance et sillage
6. Hydrolienne CFD : un rotor de 16 m dans le courant
7. Ventilateur CFD : gaine et radiateur
8. Ventilateur caréné CFD : extraction
9. Aile CFD et hydrofoil : portance et traînée

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.