A LA SIMULATION NUMERIQUE (2).docx

1. Master Recherche : Energétique-
Mécanique des Fluides
INITIATION A LA SIMULATION NUMERIQUE
DES ECOULEMENTS DE FLUIDES (CFD)
INTRODUCTION A ANSYS FLUENT
Elaboré par :
Asmaa Ja
Amine Ben dadda

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DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
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Sommaire
Introduction générale
Chapitre I : ANSYS FLUENT
Partie I : présentation sur ANSYS FLUENT
1. Introduction.
2. Qu'est-ce que la CFD.
3. Principes des codes CFD.
4. Définition de la méthode de résolution.
4.1 Méthode des volumes finis.
5. Présentation de code de calcul ANSYS Fluent.
6. Etapes nécessaires pour réussir une simulation numérique d'un problème
par FLUENT.
6.1 La géométrie.
6.2 Le maillage.
6.3 Configuration.
6.4 Visualisation des résultats.
Partie II : Applications.
Application I :
1. Description du problème.
1.1 Configuration physique.
1.2 Hypothèses simplificatrices.
1.3 1.3Equations locales instantanées.
1.4 Les conditions aux limites.
Conclusion.

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INTRODUCTION GENERAL :
L'étude et la simulation de l'écoulement des fluides jouent un rôle essentiel
dans de nombreux domaines de l'ingénierie, de l'aéronautique à la médecine,
en passant par la production d'énergie. Comprendre le comportement des
fluides, en particulier près des parois solides, revêt une importance particulière
dans de nombreuses applications, car c'est là que les effets de la viscosité et de
la turbulence sont les plus prononcés.
Ce chapitre se concentre sur la simulation de l'écoulement près de la paroi et
offre une analyse approfondie des profils de vitesse et du degré de viscosité
turbulente normalisée dans différentes zones près de la paroi. En comprenant
ces caractéristiques de l'écoulement, il devient possible de mieux appréhender
les phénomènes de transport qui se produisent à proximité des surfaces
solides, tels que le transfert de chaleur et de masse, ainsi que la friction de
surface.
Dans ce contexte, nous aborderons les méthodes de simulation utilisées pour
modéliser l'écoulement près de la paroi, ainsi que les techniques d'analyse des
données résultantes. En examinant les profils de vitesse et la viscosité
turbulente dans différentes régions près de la paroi, nous explorerons les
variations significatives qui peuvent se produire et leurs implications sur le
comportement global de l'écoulement.
L'objectif principal de ce chapitre est de fournir un aperçu approfondi du
comportement de l'écoulement près de la paroi, en mettant en lumière les
nuances des profils de vitesse et de la viscosité turbulente dans des conditions
variées. Cette compréhension détaillée est cruciale pour une gamme diversifiée
d'applications, allant de la conception de véhicules à la conception de systèmes
de refroidissement, en passant par l'optimisation des processus industriels.

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En explorant ces concepts, nous aspirons à élargir notre compréhension de la
dynamique des fluides près des surfaces solides et à fournir des connaissances
précieuses pour l'ingénierie et la recherche dans de nombreux domaines
d'application.
Chapitre I : ANSYS FLUENT
Partie I : présentation sur ANSYS FLUENT
1. Introduction
Ce chapitre est consacré à la résolution des équations présenté dans le
précédant chapitre. On va présenter au premier lieu, le code de calcul utiliser et
les étapes à suivre pour réaliser une simulation, La géométrie ainsi que la
création du maillage de la conduite sont expliquées, puis on verra les
procédures utiliser par ANSYS Fluent pour la résolution des équations de
transport, les conditions aux limites seront exposées.
2. Qu'est-ce que la CFD
La CFD, i.e. « Computational Fluid Dynamics » (soit en français : Dynamique des
Fluides
Numérique) est un ensemble de méthodes numériques permettant d'obtenir
une solution approximative d'un problème de dynamique des fluides et/ou de
transfert thermique. Les équations qui interviennent sont celles des
mécaniques des fluides, résolues par des méthodes numériques. La solution est
approximative et non pas exacte pour plusieurs raisons. D'abord, parce qu'on
résout les équations de Navier-Stokes numériquement en les discrétisant.
Deuxièmement, pour des raisons de limitation de la puissance de calcul et de
mémoire, certains termes des équations à résoudre sont remplacés par des
modèles empiriques de turbulence qui ne sont pas exacts. Cependant, grâce au
développement des méthodes numériques et à des calculateurs de plus en plus
puissants avec une grande capacité de mémoire, la CFD permet d'avoir des
solutions très satisfaisantes. Ceci est encore plus vrai dans l'industrie où très
souvent on ne s'intéresse qu'aux valeurs moyennes et aux ordres de grandeur
d'un problème donné.
3. Principes des codes CFD

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Les logiciels de mécanique de fluide numérique sont des logiciels de simulation
numérique qui basé sur la méthode des volumes finis peuvent maintenant être
considérés comme de véritable expérience numérique, les quelles sont faites
avec soin. (Ismailzabet ,2011). Toutes les quantités physiques liées à
l'écoulement (champ de vitesse, champ de pression, contraintes, température
etc .... ), sont immédiatement disponibles en tout point de l'écoulement, c'est
un avantage principal des méthodes numériques. Dans généralement
impossibles ou très difficile en pratique.
4. Définition de la méthode de résolution
Le passage d'un problème aux dérivées partielles continu à un problème
discret, s'appuie sur les méthodes de dérivées partielles. On distingue trois
grandes méthodes pour formuler un problème continu sous forme discrète,
basées sur la discrétisation des équations différentielles, telles que la méthode
des volumes finis, des différences finies et des éléments finis. La méthode
utilisée par le code ANSYS-Fluent, est celle des volumes finis. ANSYS-Fluent
discrétise les systèmes d'équations qui traduisent l'écoulement permanant d'un
fluide dans des géométries définies en utilisant une méthode de discrétisation,
dont cette opération s'effectuée par la transformation des équations
différentielles en un système d'équations algébriques suivant des étapes
propres au régime permanent. Généralement, on peut distinguer :
 Intégration des équations de transport.
 Discrétisation spatiale.
 Conditions aux limites.
 Couplage pression vitesse.
4.1 Méthode des volumes finis
Cette méthode a été développée par Patankar au début des années 70. Elle
était d'abord utilisée dans la simulation des écoulements visqueux et
bidimensionnels. Aujourd'hui, elle est devenue un standard international au
point de vue quelle sert de base numérique à la plupart des logiciels CFD
commerciaux qui sont apparus au cours de ces dernières années (CFD2000,
PHOENICS, FLUENT). Le principe de cette méthode est de subdiviser le domaine
en un nombre de volumes de contrôle juxtaposés. Chacun de ces derniers

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englobe un nœud dit nœud principal. L'équation différentielle est intégrée sur
ce volume de contrôle. Le profil de variation des paramètres entre les nœuds
doit être choisi pour pouvoir évaluer les intégrales. Le résultat est une équation
algébrique qui a comme inconnues les variables du problème.
5. Présentation de code de calcul ANSYS Fluent
ANSYS Fluent est le logiciel de dynamique des fluides (CFD) le plus puissant du
marché pour aller plus vite et plus loin dans l'optimisation de la performance.
ANSYS Fluent offre des fonctionnalités éprouvées de modélisation physique
d'écoulement fluide, de turbulence, de transfert de chaleur et de réaction
chimique, et fournit des résultats rapides et précis pour une très large gamme
d'applications CFD et multiphysiques. ANSYS permet de prédire avec confiance
le succès des produits dans le monde réel. Les entreprises utilisent ANSYS pour
créer des prototypes virtuels complets de produits et de systèmes complexes
de mécanique, d'électronique, de composants électroniques et de logiciel
mettant en jeu tous les phénomènes physiques qui existent dans la réalité.
Fluent est un solveur très utilisé dans l'industrie à travers le monde. Il est
souvent considéré comme une référence dans le domaine de la modélisation
fluide. Le paramétrage du modèle se fait par une interface graphique, il dispose
d'une interface de scripts pour automatiser les processus de calcul. L'un des
intérêts de ce logiciel de simulation généraliste, est qu'il dispose d'un nombre
relativement important de modèles, pouvant faire face à divers aspects de la
mécanique des fluides, Fluent contient également un outil de visualisation des
résultats qui permet d'afficher les champs de pression, vitesse et autres autour
de la paroi.
Le logiciel FLUENT permet les capacités de modélisation suivantes :
Ecoulements 2D ou 3D ; Ecoulement stationnaire ou instationnaire ;
Ecoulements incompressibles ou compressibles ; Ecoulements non visqueux
laminaires ou turbulents ; Fluide Newtonien ou non Newtonien ; Ecoulements
avec changements de phases et Ecoulements en milieu poreux. Le logiciel
Fluent basé sur la méthode des volumes finis comme procédé de discrétisation
des équations qui gouvernent l'écoulement, telle que l'équation de continuité
et quantité de mouvement et de l'énergie. En utilisant cette technique basée
sur l'intégration des équations sur un volume de contrôle, ce programme passe
par les étapes suivantes :

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1. La division du domaine en volumes de contrôle discrets en utilisant une grille
(maillage) de calcul ;
2. L'intégration des équations gouvernantes sur les volumes de contrôle
individuels, afin de construire les équations algébriques pour les variables
discrètes dépendantes, les inconnues telles que : vitesses ;
3. Linéarisation des équations discrétisées et solution du système d'équations
linéaires résultant, pour tenir compte des effets turbulents. Le logiciel de calcul
offre la possibilité de choisir un des modèles de turbulence suivants :
1) Le modèle à une équation de Spalart Allmaras ;
2) Le modèle à deux équations k -- > ε ;
3) Le modèle à deux équations k -- > ω ;
4) Modèle de contrainte de Reynolds (Reynolds stress model).
Le choix entre ces modèles repose principalement sur les résultats donnés par
chacun des modèles suivant les conditions limites prédéfinies .il est vrai qu'un
modèle peut donner de meilleurs résultats que l'autre, mais cela est
principalement dû à la nature des cas étudiés et à la correspondance du
modèle de turbulence avec les conditions aux limites. La résolution numérique
par Fluent d'une manière générale, suit les étapes suivantes :
1. Création de la géométrie sous ANSYS-Design modeler ;
2. Choix de maillage sous ANSYS-Meching ;
3. Définition des conditions aux limites sous Fluent ;
4. Calcul avec FLUENT pour les différents cas retenus ;
5. Analyse des résultats obtenus.
6. Etapes nécessaires pour réussir une simulation numérique
d'un problème par FLUENT

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6.1 La géométrie
ANSYS-Workbench nous a facilité la tâche et nous a permis sans efforts
manuels, en temps réduit et avec précision la conception et la préparation de la
géométrie de la plaque mince de 60 cm de largeur et 5 cm de hauteur :

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6.2 Le maillage
Notre maillage pour cet exemple et un maillage structuré, et raffiner par une
telle dimension pour avoir une précision de calcule au bord de la couche limite

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Les dimensionnements sont comme indiqué ci-dessous :
6.3 Configuration
 Définition de modèle de turbulence et des conditions aux limites :
Define  Models  Viscous, sélectionner le modèle laminaire.

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Définie  matériels, définir type de fluide utilisé dans la simulation – water
liquide.

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Définir  boundary conditions spécifier les conditions limites pour chaque zone.

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6.4 Visualisation des résultats
En trouve qu’il y a u dépression au niveau de la partie supérieure de la plaque,
et c’est ce que on trouve dans les profiles dans un écoulement en générale.

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Partie II : Applications.
Application I :
60 cm
5 cm
QUESTIONS :
1. Calculer le nombre de Reynolds. Avec ρ=998.2 kg/m3
µ=9.93*10-4
kg/m*s
2. Préciser la nature de l’écoulement.
3. Dessiner le profil de la vitesse, et déduire le type de l’écoulement.
4. Simuler le problème dans ANSYS et Interpréter les
résultats obtenus. Les conditions aux limites
Géométrie Type de condition limite Observation
Inlet Pressure-inlet P=0Pa
outlet Pressure outlet la pression relative = 0Pa
Upper_wall Wall Moving avec V=0.01m/s
Lower_wall Wall Stationary

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1. Description du problème
1.1 Configuration physique
Le problème concerne l'écoulement d'un fluide dans un domaine
délimité par des parois supérieure et inférieure, avec une entrée et une
sortie. La paroi supérieure est en mouvement, tandis que la paroi
inférieure est stationnaire.
1.2 Hypothèses simplificatrices
Pour simplifier le problème, nous pouvons faire les hypothèses suivantes :
Le fluide est incompressible, c'est-à-dire que sa densité reste constante.
L'écoulement est bidimensionnel, c'est-à-dire qu'il se produit dans un plan.
L'écoulement est laminaire ou turbulent, sans considération de transition.
1.3 Equations locales instantanées

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1.4 Les conditions aux limites
Les conditions aux limites pour ce problème sont les suivantes:
 Entrée (Inlet): Condition de pression d'entrée (Pressure-inlet) avec une
pression de P=0 Pa.
 Sortie (Outlet): Condition de pression de sortie (Pressure-outlet) où la
pression relative est maintenue à 00 Pa.
 Paroi supérieure (Upper wall): Paroi mobile avec une vitesse de
0.010.01 m/s.
 Paroi inférieure (Lower wall): Paroi stationnaire.
Conclusion
Dans ce TP, nous avons présenté le code calcul ANSYS-Fluent, son principe de
fonctionnement, et sa méthode de résolution des équations générales de
l´écoulement. Après, nous avons présente les étapes suivies pour la création de
la géométrie, et du maillage, la Configuration de notre problème, L’étude de
simulation a été établie pour le cas d’un écoulement laminaire de d’air dans un
domaine de section rectangulaire nous avons interprétées les résultats obtenus
et les structures d’écoulements observées le long du domaine.