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La semaine de Jean-François Prevéraud

Industrie et Technologies
J'ai assisté au forum des utilisateurs francophones des logiciels de CD-Adapco. Au menu, un nouveau logiciel de mécanique des fluides et des applications passionnantes, notamment chez Renault F1...

La mécanique des fluides est l'un des segments les plus porteurs du secteur de la simulation, lui-même beaucoup plus dynamique que le marché du PLM. Aussi était-il intéressant d'aller écouter les utilisateurs parler de leurs applications.

En préambule, Dider Halbronn, responsable des activités européennes de CD-Adapco nous a repositionné l'offre de sa société. 'Nous travaillons sur trois niveaux. Les spécialistes de l'analyse, les experts d'une problématique métier, les concepteurs non-spécialistes de l'analyse '.

Les spécialistes de la R&D et de l'analyse trouverons forcément dans la gamme Star-CD, l'ensemble des outils leur permettant de modéliser des problèmes multiphysiques complexes tels que l'aérodynamique, l'aéroacoustique ou la combustion. Elle leur permettra de créer des modèles physiques avancés dans lesquels ils pourront intégrer une partie de leur savoir-faire.

Cette gamme est complétée par les ES Tools, une douzaine d'applications verticales traitant par exemple du confort de passagers ou des échanges dans les membranes des moteurs avec piles à combustible.

Mais pour répondre à la demande croissante des non-spécialistes, qui désirent toutefois pouvoir effectuer certains calculs de mécaniques de fluides dans le cadre de leurs projets, CD-Adapco propose aussi les Star-CAD Series. Il s'agit d'outil d'aide à la conception intégrés dans les principaux logiciels de CAO (Catia V5, UG NX, Pro/Engineer et SolidWorks). Ils permettent d'analyser rapidement différentes variantes de conception et d'optimiser un projet, sans avoir à quitter son logiciel de CAO.

Un nouveau logiciel plus ergonomique

'Afin de compléter cette gamme existante, nous avons décidé de lancer un nouveau code de calcul haut de gamme aux performances comparables à celles de Star-CD, mais qui tire pleinement parti des récentes évolutions informatiques (architecture client/serveur, cluster, langages portables…) explique Steve MacDonald, le président de CD-Adapco.

C'est Star-CCM+, CCM comme Computational Continuum Mechanics, qui propose une architecture informatique novatrice pour les 15 ans à venir, et qui s'appuie sur les algorithmes de calcul numériques les plus récents.

Mais l'accent a aussi été mis sur la simplicité d'utilisation. Ce logiciel gère par exemple les assemblages multi-Cad, comme c'est souvent le cas lors de l'analyse aérodynamique sous un capot moteur. Il reconnaît facilement les zones où circule le fluide et son interface utilisateur, orientée objet, est un véritable assistant vous guidant tout au long de la démarche de calcul.

Ce logiciel qui fonctionne sous tous les systèmes d'exploitation, est parallélisable, c'est à dire qu'il suffit à l'opérateur de cocher en début de session le nombre de processeurs dont il dispose et le logiciel s'occupe automatique de dispatcher le calcul sur les différents processeurs.

David Gosman, Vice-President of Technology, a quant à lui levé un coin du voile sur les futurs produits de CD-Adapco. ' Les principaux développements que nous avons actuellement en cours portent sur de nouveaux modèles physiques pour les fluides turbulents, les fluides eulériens multiphasiques, la modélisation des réactions chimiques, ainsi que la modélisation des radiations thermiques et solaires. A plus long terme, si la mécanique des fluides reste au cœur de nos préoccupations, il est clair que nous allons profiter de la supériorité de notre mailleur polyédrique pour explorer aussi d'autres domaines de la mécanique '.

Quand la mécanique des fluides gave les moteurs de F1

Notre hôte, Philippe Régior, responsable mécanique des fluides au sein de l'équipe Renault F1, est ensuite venu présenter l'optimisation aéroacoustique de la boite à air coiffant les trompettes d'admission des moteurs de Formule 1. ' Le rôle de la boite à air est de capter le flux d'air généré par la voiture pour suralimenter au mieux le moteur en utilisant l'effet de la pression dynamique. L'objectif étant de faire entrer plus d'air dans chaque cylindre qu'il ne peut normalement en contenir. Et à ce jeu la prise d'air à un impact d'ordre un sur le remplissage du moteur et donc sa puissance '.

' Pourquoi ? La puissance d'un moteur dépend de sa vitesse de rotation et de son couple. La vitesse est déterminée par les mécaniciens. Le couple dépend quant à lui de la cylindrée (imposée) et de la pression moyenne effective dans le cylindre. Cette dernière correspond à la puissance moyenne indiquée à laquelle il faut retrancher les frottements. La puissance moyenne indiquée dépend du rendement thermique et du volume d'air admis. Ce volume étant lui-même tributaire des pertes de charges, notamment au passage des soupapes et de l'aéroacoustique de la trompette d'admission '.



La boite à air du V10 Renault


' En effet, l'arrêt brusque de la veine d'air entrant dans le cylindre lors de la fermeture de la soupape provoque une onde de pression qui remontre à contre-courant la veine d'air. Arrivée à l'extrémité libre de la trompette dans la boite à air, elle change de signe et repart vers la soupape sous forme d'une onde de dépression. Celle ci bute sur la soupape fermée et repart à contre-courant dans la trompette sans changer de signe car nous sommes à l'extrémité fermée d'un tube. Cette onde de dépression revient à l'extrémité libre de la trompette dans la boite à air où elle change à nouveau de signe, pour repartir vers la soupape sous forme d'une onde de pression. Le but du jeu étant de la faire arriver juste au moment de l'ouverture de la soupape pour alimenter le moteur en air sous pression. On obtient ainsi une suralimentation sans avoir besoin d'un turbo compresseur, interdit par le règlement. C'est ce que l'on appelle le mode quart d'onde '.

' Seul problème, celui-ci dépend de la vitesse de rotation du moteur. Le rôle de la simulation l'aéroacoustique est donc d'optimiser ce mode quart d'onde pour qu'il soit le plus performant dans les plages ou le moteur tourne le plus vite, car c'est à ce moment que l'on a généralement le plus besoin de puissance '.

Coupler les simulations

' En première approche nous procédons à une simulation mono dimensionnelle ou l'admission est décomposé en petits morceaux de tubes. C'est rapide, mais il y a beaucoup de paramètres à recaler et à renseigner en fonction de chaque configuration. De plus, la précision est aléatoire en dehors des domaines connus de sensibilité. Enfin, il est difficile de modéliser le couplage 3D de la prise d'air. A l'inverse, nous utilisons Star-CD qui nous donne un maillage précis ne nécessitant que peu de recalage. Cela permet une analyse détaillée de la structure tourbillonnaire pour la combustion. Par contre, le temps de mise en œuvre reste un peu long pour un moteur complet. C'est pourquoi nous avons décidé de coupler les deux méthodes. Ainsi Star-CD nous sert à modéliser tout ce qui se passe dans la prise d'air et les trompettes, alors que GT-Power traite la combustion et l'échappement. L'interface entre les deux domaines d'étude se faisant dans la trompette. Cette cosimulation permet d'obtenir une simulation précise de l'aéroacoustique servant à gaver le moteur, tout en conservant un temps de calcul raisonnable '.

' L'analyse dynamique des pressions dans la boite à air à l'aide des bons modèles acoustiques, nous permet de bien comprendre les phénomènes physiques qui se passent aux différents régimes moteur. L'analyse dynamique des champs de vitesse permet quant à elle d'analyser l'interaction entre les admissions des différents cylindres, afin de choisir leur ordre d'allumage. Ces données sont capitales pour définir la courbe de puissance du moteur en fonction de sa vitesse et ainsi d'estimer le temps au tour qui pourra être réalisé sur chaque circuit, afin d'affiner la préparation de nos moteurs '.

' Nous utilisons aussi beaucoup d'autres simulations en mécanique des fluides sur les moteurs (combustion, échappement, refroidissement, lubrification…), mais vous comprendrez que nous préférions rester discrets sur ces sujets, qui ont eux aussi un impact direct sur les performances de nos voitures en course ', conclu Philippe Régior.

A la semaine prochaine.

Pour en savoir plus 
-  http://www.cd-adapco.com
- http://www.renaultf1.com/fr

Jean-François Prevéraud, journaliste à Industrie & Technologies, suit depuis 23 ans l'informatique industrielle et plus particulièrement les applications destinées au monde de la conception (CFAO, GDT, Calcul/Simulation, PLM…). Il était jusqu'à une date récente rédacteur en chef de la lettre bimensuelle Systèmes d'Informations Technologiques, qui a été intégrée à cette lettre Web hebdomadaire.

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