Sliding mesh hélice : didacticiel de la Phase 2 instationnaire

La Phase 1 fait tourner l'hélice dans les équations. Le sliding mesh hélice la fait tourner pour de bon : à chaque pas de temps, le bloc de maillage qui contient le rotor pivote d'un petit angle, et glisse contre le maillage fixe qui l'entoure. C'est la Phase 2 d'Heliciel PRO CFD/BEM.

Le prix est annoncé sans détour par l'interface : la case qui commande la Phase 2 porte la mention « Phase2 ≈ 10 × Phase1 », un ordre de grandeur (sur les cas réels de cette série, la Phase 2 a duré de 2 à 27 fois la Phase 1). Ce didacticiel montre ce qu'on achète pour ce prix.

• Prérequis : une Phase 1 terminée, celle du didacticiel n°4 ;
• Durée : variable — c'est justement le sujet ;
• Ce que vous obtenez : des forces qui varient dans le temps, et un sillage qui n'est plus figé.

• Déroulé du didacticiel :

1. Reprendre la main sur l'enchaînement
2. Ce qui se passe entre les deux phases
3. Lancer la Phase 2
4. Comparer les forces des deux phases
5. Ce que coûte un tour
6. Quand la Phase 2 vaut son prix

1 : Reprendre la main sur l'enchaînement

Par défaut, Heliciel enchaîne tout : maillage, Phase 1, puis Phase 2. Pour ce didacticiel, on veut voir la couture. Onglet Paramètres, cadre Gestion Progression : décochez Lancer Phase2 Instationnaire apres Phase1.

Le calcul s'arrêtera donc à la fin de la Phase 1, et vous relancerez la Phase 2 vous-même. C'est aussi la configuration à adopter quand une machine est partagée, ou quand on veut examiner les résultats stationnaires avant d'engager des heures de calcul.

Deux cas particuliers à connaître : en conduit fermé, la Phase 2 est très coûteuse et Heliciel décoche automatiquement l'enchaînement en vous prévenant ; et si le maillage présente les défauts qui font diverger une interface glissante, l'avertissement arrive avant le lancement, pas après trois heures.

Cadre Gestion Progression après la consigne : la case Phase 1 reste cochée, la case Phase 2 est décochée — le calcul s'arrêtera donc à la fin de la Phase 1

2 : Ce qui se passe entre les deux phases

La transition n'est pas un simple redémarrage. Entre la Phase 1 et la Phase 2, Heliciel exécute une séquence précise :

1. les champs convergés de la Phase 1 — vitesse, pression, turbulence — sont recopiés comme conditions initiales de la Phase 2. La Phase 2 ne repart donc pas du fluide au repos, elle repart d'un écoulement déjà établi ;
2. le maillage est découpé le long du cylindre qui délimitait la zone MRF. Là où il n'y avait qu'une frontière interne, on obtient deux surfaces en vis-à-vis ;
3. ces deux surfaces sont déclarées comme un couplage non conforme : elles n'ont pas les mêmes faces, elles n'ont pas à en avoir, et le solveur interpolera les flux de l'une à l'autre à chaque pas de temps.

C'est cette interface qui autorise la rotation : le bloc intérieur tourne, le bloc extérieur reste fixe, et le couplage assure la continuité de l'écoulement entre les deux.

Le cylindre de la zone tournante, maillé, autour de l'hélice marine du didacticiel n°13 (pression colorée sur les pales) : c'est sur sa surface que se fait la découpe qui crée l'interface glissante. La capture ne permet pas de distinguer les deux faces en vis-à-vis.

3 : Lancer la Phase 2

Le marqueur de fin de Phase 1 étant présent, le bouton Calcul CFD lance maintenant la Phase 2. L'algorithme change : on passe de SIMPLEC stationnaire à PIMPLE transitoire, sans sous-relaxation, avec un schéma de convection décentré amont (du second ordre pour la vitesse) pour la stabilité.

La durée simulée se compte en tours de rotor. Sur un rotor libre, la Phase 2 simule un tour par défaut, davantage dès que le rotor a quatre pales ou moins (le moniteur de convergence a besoin d'au moins 4/N + 0,1 tour, N étant le nombre de pales). En carénage ouvert, elle est bornée à 5 tours et s'arrête d'elle-même quand les forces se stabilisent. En conduit fermé, où chaque tour coûte beaucoup plus cher, elle est limitée à 0,3 tour pour les quatre préréglages.

Le pas de temps n'est pas fixe : un régulateur l'ajuste en fonction de la stabilité observée, en le remontant par paliers quand le calcul se tient bien. Ce que vous voyez défiler dans les Journal, ce sont ces paliers.

4 : Comparer les forces des deux phases

Voici l'intérêt du didacticiel. Onglet Résultats, basculez le sélecteur entre MRF (phase 1) et Maillage glissant (phase 2), avec Pression surface cochée dans les deux cas.

Trois différences sautent aux yeux sur une hélice ordinaire :

• le sillage : en Phase 1 il est lisse et stationnaire ; en Phase 2 il porte la trace hélicoïdale du passage de chaque pale ;
• la pression en bout de pale, où le tourbillon marginal prend une structure que le calcul gelé ne pouvait pas former ;
• les forces, qui ne sont plus un nombre mais un signal. Elles oscillent à la fréquence de passage des pales, et c'est la moyenne sur le dernier tour qui fait résultat — pas la valeur instantanée.

Cochez Sillage hélice dans le cadre Montrer résultats : pour visualiser explicitement la nappe tourbillonnaire.

Vue oblique de l'hélice marine du didacticiel n°13 : la pression sur les pales et les lignes de courant colorées par la vitesse axiale. C'est avec ce type d'affichage que la Phase 2 révèle la trace turbulente des pales et du moyeu, structure qu'un calcul à rotation gelée ne forme pas.

5 : Ce que coûte un tour

Le coût d'une Phase 2 est dominé par deux facteurs : la finesse du maillage et le nombre de tours simulés. Le catalogue des préréglages hélice affiche pour chaque niveau de maillage un coût relatif, de ×1 pour le niveau Express jusqu'à ×117 pour le niveau Référence ; c'est un repère de comparaison entre niveaux, pas une durée.

Deux règles de conduite : si la Phase 2 diverge tôt, montez d'un cran de préréglage — un maillage plus fin donne une meilleure interface glissante. Si elle est stable mais trop lente, descendez d'un cran.

6 : Quand la Phase 2 vaut son prix

Un tableau de décision, pour ne pas payer le prix de la Phase 2 sans raison :

Le didacticiel n°16 traite précisément le cas du point fixe, où cette décision se pose avec le plus d'acuité.

Le bloc « bruit » du fichier de résultats après une Phase 2 (hélice marine du didacticiel n°13, maillage Level 1, un demi-tour simulé) : la fréquence de passage des pales (12,25 Hz = 7 pales × 1,75 tr/s), l'amplitude de la raie à chaque harmonique, la fluctuation totale et la part tonale par rapport au large bande. Sur un maillage aussi grossier et un demi-tour, ces chiffres montrent la forme du résultat, pas une mesure.

Noise_BPF_Hz=12.25
Noise_FxTotalRms_N=84.0962
Noise_MxTotalRms_Nm=34.6244
Noise_FxBroadbandRms_N=79.0087
Noise_FxTonalToBroadband_dB=-8.76
Noise_MxTonalToBroadband_dB=-8.19
Noise_SampleCount=135
Noise_BPFx1_Hz=12.25_Fx=6.0107N_Mx=4.1303Nm
Noise_BPFx2_Hz=24.50_Fx=18.279N_Mx=7.1656Nm
Noise_BPFx3_Hz=36.75_Fx=16.284N_Mx=6.8568Nm
Noise_BPFx4_Hz=49.00_Fx=14.243N_Mx=6.3696Nm
Noise_BPFx5_Hz=61.25_Fx=15.133N_Mx=6.7829Nm
Noise_BPFx6_Hz=73.50_Fx=14.887N_Mx=6.4618Nm
Noise_BPFx7_Hz=85.75_Fx=13.828N_Mx=6.0436Nm
Noise_BPFx8_Hz=98.00_Fx=13.398N_Mx=5.9372Nm

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 (vous êtes ici)
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.