Comparer un calcul à un autre calcul n'apprend rien sur la vérité : cela apprend que deux modèles s'accordent, ou non. La validation CFD expérimentale introduit un troisième juge, extérieur aux deux : la mesure.

L'exercice : prendre une hélice dont les performances sont documentées depuis des décennies, la calculer avec votre chaîne, et regarder l'écart. Ce que vous qualifiez alors n'est pas l'hélice — elle est connue — mais votre propre chaîne de calcul : vos préréglages, votre matériel, vos habitudes.

• Prérequis : Heliciel version 12.1.2 ou ultérieure, qui embarque la série B de Wageningen ;
• Durée : plusieurs calculs — c'est un investissement, à faire une fois ;
• Ce que vous en tirez : un chiffre d'écart que vous pourrez citer dans tous vos dossiers ultérieurs.

• Déroulé du didacticiel :

1. Pourquoi une référence extérieure
2. Générer l'hélice de référence
3. Les coefficients à comparer
4. D'abord la convergence en maillage
5. Interpréter l'écart
6. Faire de cet écart un actif

1 : Pourquoi une référence extérieure

Un calcul CFD comporte une longue chaîne d'hypothèses : le maillage discrétise, le modèle de turbulence approxime, les schémas numériques diffusent, la convergence s'arrête sur un seuil. Chacune est raisonnable, et leur cumul produit un écart que personne ne peut prédire dans l'absolu.

La seule façon de connaître cet écart est de le mesurer sur un cas dont la réponse est connue par ailleurs. C'est une opération à faire une fois, sérieusement, plutôt qu'à espérer chaque fois qu'on livre un résultat.

Trois familles de références sont utilisables : les mesures de soufflerie sur profils, les essais de rotors en tunnel de cavitation ou en bassin, et les séries systématiques d'hélices marines. Cette dernière famille a un avantage décisif pour ce didacticiel : Heliciel sait générer la géométrie exacte de la série la plus documentée.

Le processus : la mesure d'un côté, vos deux méthodes de l'autre, et deux écarts à connaître

2 : Générer l'hélice de référence

Depuis la version 12.1.2, Heliciel embarque la série B de Wageningen, référence de l'hélice marine depuis une soixantaine d'années. Menu Fichier d'Heliciel, entrée B-Screw Series : hélices marine références classiques.

La géométrie complète de la série est disponible : de trois à sept pales, tous les rapports de surface, et un rapport de pas sur diamètre couvrant la plage usuelle. Choisissez une configuration pour laquelle vous disposez des courbes publiées — c'est le seul critère qui compte ici.

La géométrie une fois appliquée au projet, vous avez dans Heliciel une hélice dont les performances sont tabulées. Créez le cas CFD comme d'habitude : Fichier > Nouveau cas CFD (depuis le modèle actuel).

L'hélice de référence, générée par Heliciel et chargée dans le banc CFD : géométrie non discutable

3 : Les coefficients à comparer

Les performances d'une hélice marine se présentent traditionnellement sous forme de coefficients sans dimension, tracés en fonction du coefficient d'avance J : un coefficient de poussée, un coefficient de couple, et le rendement en eau libre qui s'en déduit.

Cette présentation a l'avantage d'être indépendante de l'échelle et du régime : une hélice modèle et son homologue à taille réelle se comparent sur les mêmes courbes, aux effets d'échelle près.

Heliciel produit ces coefficients de deux façons. Son analyse multi-points sait tracer les courbes en fonction du coefficient d'avance pour les hélices marines : c'est votre courbe BEM. Et le tableau Matrix Me! du banc CFD donne, pour chaque point calculé, les forces dont vous formerez le point CFD correspondant.

Attention à la définition employée : les coefficients dépendent de la surface et de la vitesse de référence retenues. Vérifiez que les vôtres sont ceux de la source que vous comparez, sans quoi vous mesurerez une convention.

Les courbes de référence, la courbe BEM d'Heliciel, et vos points CFD : trois sources sur un graphe

4 : D'abord la convergence en maillage

Un écart mesuré sur un maillage unique ne vaut rien. Tant que le résultat change quand on raffine, ce qu'on mesure est la discrétisation, pas la méthode.

La démarche : calculez le même point à trois niveaux de préréglage croissants, par exemple Tendance, Étude et Étude fine. Tracez la grandeur en fonction du nombre de cellules. Deux cas de figure :

• la courbe s'aplatit : vous avez atteint la convergence en maillage. L'écart avec la référence est alors imputable à la méthode, et il est citable ;
• la courbe continue de monter ou de descendre : il faut raffiner davantage avant de conclure quoi que ce soit.

C'est l'étape que l'on saute le plus volontiers, et c'est celle qui distingue une validation d'une coïncidence.

5 : Interpréter l'écart

Une fois la convergence en maillage acquise, l'écart résiduel avec la référence s'explique par des causes identifiables :

• l'absence de transition laminaire-turbulent dans le modèle de turbulence, qui rend la traînée pessimiste, d'autant plus que le nombre de Reynolds est bas ;
• la diffusion numérique des schémas, particulièrement avec un schéma décentré du premier ordre ;
• l'écart de nombre de Reynolds entre votre calcul et l'essai d'origine, souvent conduit sur maquette ;
• les différences de conditions : un essai en eau libre n'a ni carène en amont, ni surface libre proche, ni support ; votre calcul non plus, mais pas forcément de la même façon ;
• la géométrie elle-même : la discrétisation du modèle exporté, la finesse du bord de fuite, le congé de pied.

Faites la même comparaison avec votre résultat BEM. Vous obtenez alors deux écarts — BEM contre mesure, CFD contre mesure — et c'est leur couple qui est instructif. Il arrive que le BEM soit plus proche de la mesure que la CFD sur les forces globales : ce n'est pas paradoxal. Le BEM s'appuie sur des polaires issues de mesures et sur des corrections calées sur l'expérience ; il a de l'expérience incorporée là où la CFD n'a que des équations.

Les deux écarts, point par point : c'est leur comparaison qui qualifie votre chaîne

6 : Faire de cet écart un actif

Le résultat de ce didacticiel n'est pas une hélice : c'est un chiffre, celui de l'écart typique de votre chaîne sur une famille de machines donnée. Conservez-le, et documentez-le : le préréglage employé, le niveau de convergence en maillage atteint, la référence utilisée, la plage de coefficient d'avance couverte.

Ce chiffre a une valeur pratique immédiate. Il vous permet de dire, dans un dossier de calcul, à quelle incertitude s'entend un résultat — au lieu de le livrer nu. Il vous permet aussi de reconnaître un résultat aberrant : un écart de trente pour cent sur une chaîne dont vous savez qu'elle en fait habituellement cinq n'est pas une découverte, c'est une erreur à chercher.

Refaites cet exercice une fois par famille de machines, si vous en traitez plusieurs : une chaîne qualifiée sur les hélices marines ne l'est pas sur les ventilateurs en gaine, dont la configuration et les difficultés numériques sont différentes.

La constitution du dossier de calcul lui-même est traitée au didacticiel n°20.

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
16. Hélice d'avion, croisière et point fixe
17. La boucle d'optimisation
18. Se caler sur une référence (vous êtes ici)
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.