fluidyn CHT/FSI

L’interaction rapide entre deux structures ou une structure et un fluide demande la modélisation simultanée de grandes déformations des structures et de propagations des chocs dans les fluides. La modélisation de divers régimes d’écoulement et de conditions limites dans les fluides est mieux gérée en Volumes Finis (VF). L’appréciation intuitive est également meilleure car les résultats ne souffrent pas de la distorsion numérique due aux fonctions de forme des Eléments Finis (EF). En revanche, la modélisation des déformations des structures est toujours mieux réalisée en EF, les complexités 3D des structures étant difficiles à suivre en Volumes Finis. De plus, il est très coûteux en calcul machine de modéliser en Volumes Finis les structures composées de poutres ou de plaques minces.

fluidyn-FSI est probablement le seul logiciel qui utilise simultanément les formulations EF et VF. Ainsi, l’utilisateur peut modéliser les fluides par les Volumes Finis comme il l’aurait fait avec un logiciel CFD (Computational Fluid Dynamic) tel que fluidyn-NS. En revanche, les déformations des structures sont modélisées en Eléments Finis. Les conditions limites dans les deux cas sont échangées automatiquement.Plaquette

UTILISATION DU LOGICIEL

La livraison du logiciel comprend le générateur de géométrie et de maillage CADGEN. fluidyn-FSI peut également importer des fichiers géométrie ou maillage à partir d’autres logiciels, si nécessaire. Le maillage du fluide se déplace en suivant les déformations du maillage de structures. Le pas de temps, pour les fluides ainsi que pour les structures, est constamment mis à jour en fonction aussi bien des phénomènes physiques que de la stabilité du calcul. Le schéma numérique est généralement entièrement explicite (avec un pas de temps local dans la plupart des cas). Cependant, un schéma implicite peut être utilisé si le mouvement du fluide est pratiquement incompressible ou faiblement compressible.

Différents types de stratégies ont été adoptés pour aider l’utilisateur à suivre une solution en cours de calcul, telle qu’une mise à jour graphique multi-fenêtres des variables physiques. Des pré et post-processeurs sont intégrés au solveur pour permettre à l’utilisateur d’arrêter le calcul à tout instant afin d’analyser les résultats intermédiaires et/ou modifier les données d’entrée. L’utilisateur peut redémarrer un calcul après avoir remaillé ou changé les lois physiques si celles initialement définies ne sont plus valides.

Le logiciel peut-être utilisé sur toute station de travail (Unix) ou sur PC (Windows, LINUX).
Les résultats peuvent être sauvegardés pendant que le calcul est en cours, soit à intervalles réguliers, soit quand l’utilisateur le souhaite. Ces résultats peuvent être présentés image par image, accompagnés des commentaires de l’utilisateur. Pour les phénomènes transitoires, le logiciel peut directement produire des fichiers d’animation sur PC. Il est également possible d’appliquer sur ces résultats des fonctions mathématiques pour analyser d’autres variables dérivées.

 

MODELISATION DES FLUIDES

Les fluides sont modélisés à l’aide de multiples schémas de Volumes Finis déjà disponibles dans le logiciel fluidyn-NS (Roe, Van Leer, Roe Préconditionné, AUSM, Partial Donor Cell, etc) ce qui permet la parfaite adaptation du schéma à la configuration de l’écoulement. Sous certaines conditions, il est même possible d’utiliser deux ou plusieurs schémas numériques pour différentes parties du domaine. Plusieurs modèles de turbulence peuvent être utilisés simultanément de la même manière. La modélisation peut être réalisée pour un système de maillage non structuré avec une précision numérique de troisième ordre. L’écoulement peut aller de l’incompressible (surface libre) au fortement compressible (détonation), être monophasique ou diphasique (phase dispersée ou continue).
La modélisation de la détonation par explosifs est réalisée avec un modèle intégré combinant les caractéristiques de Chapman Jouguet au front de détonation. Pour les incendies ou les déflagrations, le logiciel introduit la cinétique chimique à partir de la base de données pour les incendies d’hydrocarbures.

MODELISATION DES STRUCTURES

Les structures complexes 3D sont modélisées en éléments finis ; les éléments disponibles utilisés sont les poutres, les plaques minces, les tétraèdres, les ressorts, etc. L’équation d’état peut être élastique, élasto-plastique, ou linéaire par morceau, de comportement isotropique ou orthotropique, etc... Les lois de plastification et d’endommagement communément admises, comme celles de Steinberg Guinan et Johnson & Cook, dépendant de température et de pression, sont toujours disponibles.Une base de données des matériaux est fournie également.

APPLICATION DU LOGICIEL

Fluidyn CHT

Fluidyn CHT résout les problèmes d’échange de chaleur et modélise le couplage Thermo-Hydrau-Mécanique

La modélisation des échanges de chaleur entre fluides et structures est habituellement réalisée avec l’hypothèse qu’il est impossible d’obtenir une précision convenable pour les deux milieux (fluides et structures) à la fois. La contrainte essentielle réside dans le fait que la méthode numérique choisie (Eléments Finis (EF) ou Volumes Finis (VF)) ne peut pas modéliser de façon optimale les structures et les fluides. En général, le coefficient d’échange thermique à travers la couche limite est calculé au moyen d’un code de dynamique des fluides, très souvent en volumes finis. Ce coefficient est alors utilisé par un code en éléments finis qui calcule la déformation de la structure due à la conduction de la chaleur.

Une nouvelle approche de la simulation du transfert de chaleur conjugué est utilisée dans le logiciel fluidyn-CHT (Conjugate Heat Transfer) par un couplage fort de deux solveurs simultanément

Les principaux avantages de cette méthode sont :

• les déformations thermiques de la structure en contact avec les fluides peuvent modifier la couche limite, changeant également le coefficient d’échange de chaleur de manière significative. Le calcul exact des échanges thermiques est certainement l’aspect le plus important car il influence la déformation mécanique.

• les phénomènes transitoires peuvent être simuler avec précision grâce à l’échange d’information permanents entre les deux solveurs (VF et EF) permettant de suivre les modifications des conditions limites et des coefficients d’échange de chaleur.

• les calculs des contraintes et des déformations sont facilités ainsi que leur influence sur la couche limite du fluide.

• le maillage en éléments finis permet d’augmenter le pas de temps de conduction, tandis que la modélisation des fluides en volumes finis permet d’intégrer facilement les phénomènes physiques complexes souvent rencontrés en mécanique des fluides.

CONDUCTION, CONVECTION ET RAYONNEMENT

Cette nouvelle technologie de couplage fort gère simultanément le transfert de chaleur et les déformations de la structure (calcul thermomécanique couplé).

Les structures sont maillées en Éléments Finis aussi bien avec des éléments de type coque (éléments 2D) qu’avec des éléments volumiques (éléments 3D : tétraèdres, prismes, hexaèdres). La formulation de ces éléments permet de prendre en compte la conduction et les déformations des structures dues aux chargements de pression et de température, même pour des géométries très complexes.

Concernant les fluides, la convection et le rayonnement sont traités par une méthode en volumes finis adaptée au type d'écoulement : compressible, incompressible, réactif, etc...

Les maillages en volumes finis en contact avec les structures se déforment automatiquement (maillage auto-adaptif) pour suivre les déformations des structures (couplage fort) et il est ainsi possible d'avoir à tout instant un calcul du coefficient d'échange convectif dans les couches limites.

Le rayonnement est modélisé pour :

• les milieux transparents : Facteurs de vue 3D calculés automatiquement avec prise en compte de l'effet de l'ombre des différents obstacles.
• les milieux semi-transparents : modèles simples et rapides, modèles à six flux ou plus complexes et plus précis tels que les modèles aux ordonnées discrètes.

PRE-PROCESSEUR
Génération de la géométrie et du maillage dans fluidyn-CADGEN, interfaces de chargement de maillages générés par d'autres mailleurs, spécification interactive et graphique des conditions limites, initialisation par régions.

SOLVEUR : INTERFACE UTILISATEUR FORTRAN
Conditions limites, conditions initiales, propriétés, calcul des flux convectifs et diffusifs, termes-sources spécifiques.

POST-PROCESSEUR
Multi-fenêtrage (jusqu'à 30 fenêtres) ; suivi de la progression des calculs dans les trois domaines :
• fluides : visualisations identiques à celles de fluidyn-NS (iso valeurs, vecteurs vitesses, , etc…)
• structures : visualisations identiques à celles de fluidyn-FSI (contraintes, Von Mises, déformations)
• thermique : iso-températures dans les fluides et les structures.

INTERFACE AVEC D'AUTRES LOGICIELS
NISA-DISPLAY, PHOENICS, IDEAS, PATRAN via IGES, GIS et DXF.

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