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negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 1 SUPPORT DE COURS ATELIER NUMERIQUE Master Académique Génie Mécanique Parcours:Génie Energétique Dr. Belkhir NEGROU ح روﻠﻗ ــﺔ ﺎﺑﺮﻣ ي ﺪﺻﺎﻗ ﺟﺎﻣﻌﺔ ﺔﯿﻘﯿﺒﻄﺘﻟ ام ﻮﻠﻌﻟ ا ﻛﻠﯿﺔ ﻚﯿﻧﺎﻜﯿﻤﻟ ا:ﻗﺴﻢ Université Kasdi Merbah Ouargla Faculté des Sciences Appliquées Département: Génie Mécanique negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 2 Master Académique Génie énergétique Intitulé de la matière: Atelier numérique Code: UEM1 Semestre: S3 Unité d’Enseignement:Ateliers numérique Enseignantresponsable de la matière: NEGROU Belkhir Nombre d’heures d’enseignement Cours: 1.5 h TD: 1.5 h TP: 1.5 h Nombre d’heures de travail personnel pour l’étudiant: 1 h Nombre de crédits: 05 Coefficient de laMatière: 03 Objectifsde l’enseignement Traitement à l’aide des logiciels commerciaux des cas réels des problèmes énergétiques rencontrés dans le secteur industriel en utilisant des approches étudiés aux projets de fin d’études. Connaissances préalables recommandées: Contenu de la matière: 1) Notions sur les différentstypes d’écoulements -Exploitation de logiciel GAMBIT -Exploitation de logiciel FLUENT -Exploitation de logiciel SCILAB 2) Traitement des applications industrielles à l’aidedes outils numérique -Maitrise des techniques de maillage et d’optimisation -Validation et présentation des calculs Mode d’évaluation:Examen continu, tests des travaux pratiques, examen écrit. Références Guides et tutoriaux des logiciels FLUENT, GAMBIT, SCILAB negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 3 PARTIE 1: EXPLOITATION DE LOGICIELS •Initiation à la CFD •Code de maillage Gambit, Version 2 •Code de calcul Fluent, Version 6 negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 4 1. Initiation à la CFD 1.1 Buts et Intérêts a)Méthodes de prédiction: •Expérimentation •Solution physique assurée •Complexe et coûteuse b)Solution exacte: •Équations différentielles complexes •Peu de solutions aux problèmes réels c) Numérique 1.2 Avantages: •Économie par rapport à l'expérimentation •Rapidité d'exécution pour le développement •Accès à toutes les données de l'écoulement •Conditions réelles et idéales 1.3 Inconvénients: •Discrétisation d'une solution continue •Hypothèses reliées aux modèles utilisés •Nécessité de valider une technique de calcul par l'expérimentation negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 5 2. Introduction aux logicielsFLUENT/GAMBIT FLUENT est un logiciel de modélisation en mécanique des fluides où de CFD (Computational Fluid Dynamics). Ce logiciel est juste le solveur, il ne maille pas le système. Le maillage doit être réalisé avec un mailleur, (Gambit) par exemple qui est réalisé par le même éditeur. Le paramétrage se fait par une interface graphique. Ce logiciel permet la mise en place de script pour automatiser les processus de calcul. Fluent est sans doute le logiciel de simulation numérique de mécanique des fluides le plus abouti du marché. Il est même depuis peu intégré dans la fameuse suite de logiciel de simulation ANSYS. Sa force vient du très grand nombre de modèles disponibles, pouvant faire face àde très nombreux aspects de la mécanique des fluides : Ecoulement diphasique (miscible, non miscible, cavitation, solidification), turbulence (LES, KE, Kw, SA, Reynolds stress...), combustion (pré-mélangé et non pré-mélangé), transport de particules, écoulement en milieux poreux, maillages mobiles et dynamiques avec reconstruction du maillage...Les schémas temporels et spatiaux peuvent de plus être modifiés pour améliorer la convergence. Il est de plus parallélisé et permet donc de tirer parti de systèmesmultiprocesseurs aussi bien au sein d’une seule machine qu’en réseau (cluster, dualcore, plateforme multi CPU). Les Travaux Pratiques proposés ont pour objet de présenter les logiciels GAMBIT (un mailleur) et FLUENT(un solveur des équations de Navier-Stokes), de faire des “expériences numérique” sur la simulation des écoulements “élémentaires” et d’analyser les résultats. On étudiera quelques exemples d’écoulements simples à la résolution d’un problème, et de valider nos résultats numériques en les comparant aux solutions analytiques. Le logiciel Fluent est basé sur la méthode des volumes finis, qui permet la résolution des équations qui régissent les écoulements (équation de conservation de la masse, équation de quantité de mouvement, équation de l’énergie). Fluent est associé à Gambit, à l’aide duquel on va définir la géométrie, le maillage, et les conditions aux limites. Après une brève présentation du problème, nous allons suivre les étapes suivantes : 1. Créer la géométrie en GAMBIT, 2. Mailler la géométrie en GAMBIT, 3. Mettre en place les TYPES DE CONDITIONS AUX LIMITES, ’Boundary Types’, en GAMBI T, 4. Mettre en place du problème sous FLUENT, 5. Résoudre !, 6. Analyser les résultats, negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 6 3. Code de maillage GAMBIT Le logiciel Gambit est un mailleur 2D/3D; pré-processeur qui permet de mailler des domaines de géométrie d’un problème de CFD (Computational Fluid Dynamics). Il génère des fichiers*.msh pour Fluent. Fluent est un logiciel qui résout par la méthode des volumes finis des problèmes de mécanique des fluides et de transferts thermiques. Gambit regroupe trois fonctions : définition de la géométrie du problèmes (construction si la géométrie est simple ou bien import de la géométrie CAO), le maillage et sa vérification, la définition des frontières (Types de conditions aux limites) et définitions des domaines de calculs. a) b) Figure 1:(a),(b)Éléments de base du numérique(GAMBIT) negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 7 3.1. Capacité de Gambit: •Opération en 2D et 3D •Maillages de type structurés, non structurés ainsi que hybrides •Identification des conditions limites pour le code de Fluent 3.2. Étapes de base dans Gambit: •Type de problème: 2D / 3D et code •Geometry: géométrie entière du domaine de calcul •Mesh: maillage de la géométrie •Zones: définir les conditions limites 3.3 Maillage: La génération du maillage (2D ou 3D) est une phase très importante dans une analyse CFD, vu l’influence de ses paramètres sur la solution calculée. 3.3.1. Choix du type de maillage: a)Maillage structuré (quadra/hexa) Il est beaucoup plusfacile de le générer en utilisant une géométrie à multi bloc, il présente les avantages suivants : •Economique en nombre d’éléments, présente un nombre inférieur de maille par rapport à un maillage non structuré équivalent. •Réduit les risques d’erreurs numériques car l’écoulement est aligné avec le maillage. Ses inconvénients : •Difficile à le générer dans le cas d’une géométrie complexe •Difficile d’obtenir une bonne qualité de maillage pour certaines géométries complexes negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 8 b)Maillage non structuré (tri/tétra.) Les éléments de ce type de maillage sont générés arbitrairement sans aucune contrainte quant à leur disposition. Ses avantages : •Peut être généré sur une géométrie complexe tout en gardant une bonne qualité des éléments. •Les algorithmes de génération de ce type de maillage (tri/tétra) sont très automatisés. Ses inconvénients : •Très gourmand en nombre de mailles comparativement au maillage structuré •Engendre des erreurs numériques (fausse diffusion) qui peuvent être plus importante si l’on compare avec le maillage structuré Figure 2: Types de maillage (GAMBIT) negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 9 c)Maillage hybride: Maillage généré par un mélange d’éléments de différents types, triangulaires ou quadrilatéraux en 2D, tétraédriques, prismatiques, ou pyramidaux en 3D. Ses avantages : •Combine entre les avantages du maillage structuré et ceux du maillage non structuré ! 3.4. Techniques générales de génération du maillage: Pratiquement, il n’existe pas de règle précise pour la création d’un maillage valable, cependant il existe différentes approches qui permettent d’obtenir une grille acceptable. Nous pouvons résumer ces règles ainsi : •Maintenir une bonne Qualité des éléments •Assurer une bonne Résolution dans les régions à fort gradient •Assurer un bon Lissage dans les zones detransition entre les parties à maillage fin et les parties à maillage grossier •Minimiser le nombre Total des éléments (temps de calcul raisonnable) •On peut se souvenir de ces règles en utilisant la formulation mnémotechnique QRLT. 3.4.1 Qualité d’un maillage: La génération d’une très bonne qualité de maillage est essentielle pour l’obtention d’un résultat de calcul précis, robuste et signifiant. Une bonne qualité de maillage repose sur les éléments suivants : •Minimisation des éléments présentant des distorsions (skewness en anglais) •Une bonne résolution dans les régions présentant un fort gradient (couches limites, ondes de choc …etc.) •Enfin, la qualité de maillage à un sérieux impact sur la convergence, la précision de la solution et surtout sur le temps de calcul. negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 10 3.4.2. Distorsion: Une bonne qualité de maillage est synonyme d’absence de grandes distorsions d’éléments (bon skewness) Le facteur de distorsion Fd (skewness) se calcule de deux façons différentes: 1° -Calcul basé sur le volume équilatéral : !! Applicable uniquement pour les éléments triangulaires ou tétraédriques 2° Calcul basé sur la déviation angulaire: !! Applicable pour tout type d’élément • Notons que les grandes valeurs du facteur de distorsion induisent des erreurs de calcul et ralentissent considérablement le processus de convergence. • Quelques distorsions peuvent être tolérées si elles sont situées dans des régions à faible gradient. Ce tableau illustre la variation de la qualité des éléments de maillage en fonction de la valeur du coefficient de distorsion Fd : negrou.belkhir@univ-ouargla.dzCours: Atelier Numérique Page 11 • La valeur maximale du skewness tolérée pour un maillage volumique doit être inférieure à 0.90 • La valeur maximale du skewness tolérée pour un maillage surfacique structuré ou non, hexaédrique ou tétraédrique doit être inférieure à 0.75 3.4.3. Lissage: Le changement dans la taille des éléments de maillage d’une zone maillée à une autre doit être graduel, la variation de la taille des éléments de deux zones adjacentes ne doit pas dépasser 20%. 3.4.4. Nombre total d’éléments: Un nombre important d’éléments de maillage permet sans doute d’améliorer la uploads/s3/ cours-atelier-numer-i-que.pdf