Modélisation de région tournante avec FloEFD

Nous allons aborder ici les différentes options permettant de définir une région tournante dans FloEFD.

Avec FloEFD, il existe différentes façons de modéliser une région tournante suivant le modèle :

  • Rotation globale
  • Région locale (Moyenne)
  • Région locale (Glissant)
  • Condition aux limites de mouvement de rotation de paroi

Nous allons présenter ci-dessous les différentes caractéristiques et applications pour chacune des solutions utilisables dans FloEFD.

Différentes options de simulation de région tournante dans FloEFD

Rotation globale

  • Utilisation dans le cas d’un modèle totalement axisymétrique par rapport à l’axe de rotation (toutes les pièces de l’assemblage (partie tournante et partie fixe), entrée et sortie de l’écoulement).
  • Utilisation dans peu de cas car trop contraignante. Tous les éléments du modèle tourneront à la même vitesse, sauf utilisation d’une condition aux limites de paroi mobile « stator ».
  • Par exemple, ventilateur à pâles dont on étudie seulement le ventilateur.
Ventilateur FloEFD

Région locale (Moyenne)

  • Dans cette méthode, la rotation peut s’appliquer à seulement une partie des pièces (mise en place d’une région autour de toutes les pièces en rotation).
  • Cette méthode est moins contraignante que la rotation globale puisqu’elle permet d’ajouter des pièces qui ne tournent pas dans le modèle. Mais elle permet seulement une approximation des champs du fluide autour de la région tournante.
  • Utilisation pour un système avec un moyeu et des pâles axisymétriques. L’entrée et la sortie du fluide doivent être axisymétriques par rapport à l’axe de rotation. Si la gravité est activée, elle doit être orientée le long de l’axe de rotation. Avec cette méthode, FloEFD calcule les champs autour de la région tournante. FloEFD en déduit une condition aux limites en réalisant une moyenne à chaque maille qu’il va appliquer à la région tournante. Ensuite, il va calculer la région tournante d/ans un référentiel local avec les conditions aux limites déterminées précédemment.
  • Si le moyeu dépasse de la région tournante, il faut lui appliquer une conditions de paroi tournante dans les conditions aux limites.
  • Par exemple, un ventilateur à pied dont on représente les pâles mais aussi le support.
Schéma ventilateur avec boitier
Modélisation de région tournante avec FloEFD

Région locale (Glissant)

  • Cette méthode est celle qui a l’application la plus large : elle permet de simuler des modèles de géométrie plus complexe ou avec des interfaces rotor/stator proches. De même que précédemment, toutes les pièces en rotation devront être incluses dans une région tournante.
  • Avec cette méthode, le maillage de la région tournante est déplacé à chaque pas de temps et les calculs sont effectués dans chaque région du modèle à chaque pas de temps.
  • Utilisation pour des machines tournantes de toutes géométries, non axisymétriques ou nécessitant une précision plus importante. Le calcul devra être effectué en régime transitoire. Cette méthode permet le calcul de géométrie plus complexe que la Région Locale (Moyenne) puisqu’elle permet d’avoir des géométries non axisymétriques. Elle est aussi plus précise puisque le calcul sera nécessairement effectué en instationnaire. Mais elle prendra aussi plus de temps à calculer et à traiter.
  • Par exemple, une pompe centrifugeuse à eau.
schéma pompe centrifuge
résultat FloEFD pompe centrifuge

Condition aux limites de paroi tournante

  • Il s’agit ici d’appliquer une condition aux limites aux parois concernées afin qu’elles tournent.
  • Avec cette méthode, il n’y a pas de région tournante à définir. Seules les parois définies ont un mouvement de rotation.
  • Utilisation pour des machines n’ayant pas de parties centrales tournantes ou dont le flux doit passer à travers la région tournante.
  • Par exemple, un ventilateur cross flow.
schéma ventilateur crossflow
résultat pompe crossflow

Recommandations pour l’utilisation de région tournante dans FloEFD

Voici quelques conseils afin de pouvoir mieux utiliser les régions tournantes dans FloEFD.

Général

  • Il est préférable de réaliser une simulation interne plutôt qu’externe. Cela permet de limiter les erreurs au niveau du calcul de la pression à la limite du domaine de calcul. Dans le cas d’une simulation interne, la pression à la limite du domaine est bien définie et permet au calcul de mieux converger.
  • Si la machine tournante ne possède pas de carter, il faut englober le système par un cylindre virtuel (qui devra être désactivé pour le calcul) et appliquer la pression de l’environnement sur sa surface. Le cylindre devra être suffisamment large pour ne pas perturber le flux créé par la machine tournante.
  • S’il y a deux (ou plus) régions tournantes, il faut que celles-ci ne s’intersectent pas.
  • Si la région est centrée entre une entrée et une sortie, il est préférable d’appliquer un débit ou une pression comme condition d’entrée et une pression comme condition de sortie.

Machine tournante non modélisable dans FloEFD

Il n’est pas possible de modéliser des pompes et ventilateurs possédant des engrenages ou des doubles vis, de même que toute pompe ayant un mouvement linéaire comme les pompes à piston.

schéma d'une pompe à piston
schéma d'une pompe à engrenage

Forme de la région tournante

  • La région tournante doit comprendre toutes les parties en rotation, sauf si des conditions de stator sont appliquées aux pièces statiques.
  • La région tournante peut être un cylindre, un tore mais ne peut pas être une sphère.
  • Afin d’améliorer le maillage, lors de l’utilisation de la méthode Région Locale (Moyenne), si les pièces tournantes sont entourées par des pièces statiques axisymétrique, il est recommandé d’élargir la région tournante en y incluant les parois des pièces statiques. Cela permet de mieux mailler la partie entre les pièces en rotation et les pièces statiques.
géométrie région tournante

Maillage

  • Le meilleur maillage sera celui avec un maillage uniforme sur toute la partie tournante avec 3 à 5 cellules entre les pales.
  • Il est aussi important d’avoir 3 à 5 cellules en amont des pâles afin de pouvoir calculer de manière précise les champs de fluide.
  • Au minimum, il doit y avoir 2 cellules entre la fin des pâles et la limite de la région tournante. Ceci est valable pour tous les espaces entre la région tournante et les pièces fixes en dehors de la région tournante.
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