Comment fait-on tourner une hélice sans faire tourner le maillage ? La réponse porte un nom : maillage rotatif MRF hélice, pour Multiple Reference Frame. C'est la méthode de la Phase 1 d'Heliciel PRO CFD/BEM, et c'est elle qui donne un résultat en quelques minutes là où la rotation physique en demande dix fois plus.

Le principe tient en une phrase : on définit un cylindre autour du rotor, on résout à l'intérieur dans un repère qui tourne, et on ajoute les deux forces d'inertie que ce repère fait apparaître — Coriolis et centrifuge. Le maillage, lui, ne bouge pas d'un pouce.

• Prérequis : une hélice conçue dans Heliciel, un cas CFD créé ;
• Durée : une demi-heure, dont l'essentiel en observation ;
• Objectif : cesser de subir la Phase 1 comme une boîte noire.

• Déroulé du didacticiel :

1. Afficher la zone MRF avant de mailler
2. Pourquoi le cylindre disparaît après le maillage
3. Ce que le repère tournant ajoute aux équations
4. Lancer la Phase 1
5. Ce que le MRF ne capture pas
6. Après la Phase 1

1 : Afficher la zone MRF avant de mailler

Sur un cas rotor tout juste créé, ouvrez le menu Affichage de la barre d'outils et cochez cylindre mrf. Un cylindre apparaît autour de l'hélice, coaxial à l'axe de rotation.

Son rayon n'est pas arbitraire. Pour une hélice libre, il enveloppe le rotor avec une marge d'environ 10 % du rayon. Pour une hélice carénée ou en conduit, cette marge tombe à 1 % : le jeu entre le bout de pale et la paroi est étroit, et le cylindre doit s'y glisser sans mordre sur la paroi fixe.

Cochez aussi Modèle 3D et volume controle pour situer les trois échelles : la pale, le cylindre tournant, et le domaine de calcul complet. Ce sont trois objets emboîtés, et beaucoup de difficultés de maillage viennent d'une mauvaise appréciation de leurs proportions.

Affichage > cylindre mrf : la zone tournante, l'hélice qu'elle enveloppe et le domaine qui les contient

2 : Pourquoi le cylindre disparaît après le maillage

Maillez le cas, puis rouvrez le menu Affichage. Le cylindre MRF n'est plus affichable de la même façon, et c'est normal — la question revient assez souvent pour mériter une explication.

Avant le maillage, le cylindre est une intention géométrique : une consigne donnée au mailleur. Après le maillage, il est devenu une zone de cellules à l'intérieur du maillage, désignée par un nom, sans surface propre à afficher. Le solveur, lui, sait parfaitement où elle est : c'est l'ensemble des cellules qu'il traitera en repère tournant.

Il existe un cas où une véritable interface apparaît, avec ses faces : quand la Phase 2 est préparée. Le pipeline de couplage découpe alors le maillage le long du cylindre et crée deux frontières en vis-à-vis, qui glisseront l'une contre l'autre. Mais cela n'arrive qu'après la Phase 1, et le didacticiel n°5 le montre en détail.

3 : Ce que le repère tournant ajoute aux équations

Dans la zone MRF, les équations ne sont pas écrites dans le repère du laboratoire mais dans un repère qui tourne à la vitesse angulaire de l'hélice. Ce changement de point de vue fait apparaître deux termes supplémentaires :

• la force de Coriolis, proportionnelle au produit vectoriel de la vitesse de rotation et de la vitesse relative du fluide ;
• la force centrifuge, qui pousse le fluide vers l'extérieur du cylindre.

À la frontière entre la zone tournante et la zone fixe, les vitesses sont converties d'un repère à l'autre. C'est là que réside l'approximation : la position angulaire des pales est gelée. L'hélice tourne dans les équations, mais elle occupe toujours la même position dans l'espace.

Le modèle de turbulence retenu pour un rotor est le k-ω SST, choisi automatiquement : il traite mieux que d'autres les gradients de pression adverses et la séparation de couche limite, deux phénomènes constants sur une pale en rotation.

L'onglet Paramètres : deux listes de préréglages — le maillage, le solveur — et l'estimation qui les accompagne. C'est tout ce qu'on vous demande.

4 : Lancer la Phase 1

Bouton Calcul CFD, ou automatiquement en fin de maillage si la case Lancer Phase1 Stationnaire en fin de maillage est cochée.

La Phase 1 tourne en SIMPLEC stationnaire. Les forces sur les pales se stabilisent typiquement en quelques centaines d'itérations, ce qui représente de trois à une quinzaine de minutes selon la finesse du maillage. Le moniteur de convergence lit les forces exercées sur les pales seules — hors moyeu — et les compare en permanence, y compris à la référence BEM du même projet : c'est un garde-fou utile, parce qu'un calcul qui s'éloigne franchement de son BEM signale presque toujours un problème de maillage ou de conditions aux limites, pas une découverte physique.

Un détail se règle ici sans vous : le caractère glissant ou frottant du moyeu et de la paroi de conduit. La règle est physique et non affaire de goût — moyeu glissant en conduit fermé, moyeu frottant sur un rotor libre — et Heliciel l'applique d'après le type de cas. Elle ne vous est pas proposée, parce qu'une erreur de ce côté fausse le couple en silence, sans rien faire échouer.

Résultat de Phase 1 : le champ autour des pales, obtenu sans jamais déplacer une seule cellule

5 : Ce que le MRF ne capture pas

Le maillage rotatif MRF hélice est une approximation, et il faut savoir de quoi :

• l'interaction d'une pale avec le sillage de la précédente n'est pas reproduite fidèlement, puisque les positions angulaires sont figées ;
• les fluctuations temporelles des forces n'existent pas : le MRF rend une valeur moyenne, pas une oscillation. Une analyse vibratoire ou acoustique ne peut donc pas s'en contenter ;
• à vitesse d'avance nulle, en vol stationnaire ou en traction statique, les tourbillons de bout de pale restent piégés autour du disque rotor au lieu d'être évacués. Le MRF calcule correctement la vitesse induite moyenne, mais l'écart sur les forces se creuse.

Une règle simple, exprimée avec le coefficient d'avance J = V / (n·D) : au-dessus de J = 0,5, la Phase 1 suffit largement. En dessous, et a fortiori à V = 0, la Phase 2 devient recommandée.

6 : Après la Phase 1

À la fin de la Phase 1, Heliciel copie les champs convergés dans le dossier des conditions initiales, exécute le pipeline de couplage qui prépare l'interface glissante, puis s'arrête. Le fichier marqueur constant/hybridPhase1.done apparaît dans le dossier de cas, et le bouton de Phase 2 prend la main.

Ce n'est pas une interruption : c'est un point de décision, volontairement placé là. Vos résultats de Phase 1 sont exploitables tels quels — poussée, couple, coefficients — et vous choisissez en connaissance de cause si l'analyse mérite l'investissement de la Phase 2.

Onglet Résultats, le sélecteur MRF (phase 1) / Maillage glissant (phase 2) permet de basculer entre les deux jeux de champs dès que les deux existent. C'est l'outil de comparaison du didacticiel suivant.

Onglet Résultats : le sélecteur qui bascule l'affichage entre les champs de la Phase 1 et ceux de la Phase 2

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 (vous êtes ici)
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
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.