Caractéristiques géométriques (dimensions en mm) : …elefra02/Tutorial1.pdf · – Spécifier 'Fluent V6' dans le menu 'Output solver' et 'ANSYS' dans le menu ... la gestion de

TF01 : Tutoriel (succinct) de prise en main des outils

1. ICEM-CFD (CAO+maillage)2. Fluent (Calcul et post-traitement)

Étude de l'écoulement autour d'un disque placé au sein d'un domaine rectangulaire

Caractéristiques géométriques (dimensions en mm) : domaine rectangle de 200 par 50 et disque de diamètre 10 centré en (50,25)

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Procédures pour la génération d'un maillage sous ICEM-CFD ============================================================== =

Onglet 'Geometry' ----------------- ---------+ Icône 'Create Point'

- Création des points en spécifiant les coordonnées du contour ainsi que 3 points pour le disque (le centre et 2 autres à 90 deg.)

+ Icône 'Create/Modify Curve' - Création des lignes de contour et du disque

Figure 1 : Création des points et lignes du contour

ELF - TF01 Session Printemps Tutoriel ICEM-CFD & FLUENT - Version 06/12

+ Icône 'Create/Modify Surface' - Création de la surface totale EN INCLUANT le disqueL'inclure vous permettra par la suite de pouvoir l'effacer. C'est la surface occupée par le fluide qu'il faut mailler et non le disque...- Effacer la surface liée au disque (seulement possible si préalablement inscrit dans la surface totale) L'affichage en mode 'plein' facilite la procédure...

Figure 2 : Vérification de la surface « fluide » créée

Onglet 'Mesh' ------------- ------+ Icône 'Global Mesh Setup' (pour maillage de base en triangles...)

* Icône 'Global Mesh size' - Spécifier taille moyenne de maille (=2) dans 'Global Element Seed Size'- 'Apply' ! Cette opération permet de définir la taille moyenne des éléments qui constitueront le maillage final

* Icône 'Shell Meshing Parameter' - Spécifier 'All tri' et 'Patch Independent' PUIS 'Apply' !Le choix de 'Patch independent' permet de s'affranchir des contraintes d'un maillage quadrillé (structuré) et de profiter pleinement des possibilités du maillage non structuré.

+ Icône 'Curve Mesh Setup' (pour maillage raffiné sur le disque) * Sélectionner le contour du disque * Spécifier une 'Maximum size' = 0.2 * Cliquer 'Apply'


+ Icône 'Mesh Curve' * Sélectionner la courbe puis 'Apply'Il est avant tout nécessaire de mailler tous les contours nécessitant une taille de maille différente de la taille moyenne spécifié un peu plus haut (le contour du disque est désormais maillé mais reste cependant invisible pour l'utilisateur)

+ Icône 'Compute Mesh' * Icône 'Surface Mesh only'

– 'Compute'A l'issue de cette phase, tous les maillages sont générés. Faire attention à l'icône active par défaut sur le maillage volumique.

Figure 3 : Affichage du maillage

REMARQUE : pour effacer un maillage, sélectionner l'onglet 'Edit Mesh' puis l'icône 'Delete Elements'. Taper 'all' dans le cadre puis 'Apply'

Onglet 'Loads' (pour identifier et nommer les frontières intérieures et extérieures) -------------- -------+ Icône 'Create Force'

• Sélectionner une frontière, lui donner un nom et Apply.

Procéder ainsi pour tous les contours (ENTREE, SORTIE, PAROI_HAUTE, PAROI_BASSE, DISQUE).

Cette procédure identifie chacune des frontières en tant que 'wall'. C'est sous Fluent que le type de condition à la limite sera corrigé et sa valeur imposée.


Onglet 'Output' --------------- -------+ Icône 'Select solver'

– Spécifier 'Fluent V6' dans le menu 'Output solver' et 'ANSYS' dans le menu 'Common Structural Solver'

– Cocher 'Set as default' et 'Apply' + Icône 'Write Input'

– Sauvegarder le projet en prenant soin de cocher '2D' et de renommer le nom du maillage (sinon il se nomme 'fluent.msh' par défaut)

Conseils : la gestion de l'historique des commandes étant incertaine, il est conseillé de faire des sauvegardes régulières en spécifiant des noms différents à l'issue des phases de génération des surfaces, du maillage et des conditions aux limites.


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SOUS FLUENT =================

1/ Lancer l'application et cocher 2D (si calcul 2D bien entendu), sinon garder option 3D

2/ Menu File -> 'Read' -> 'Mesh...' sélectionner le fichier .msh généré par ICEM-CFD

3/ General3.1/ 'Scale'... spécifier échelle si nécessaire et valider UNE SEULE FOIS 3.2/ 'Check' Cette étape est obligatoire car elle permet à Fluent de déterminer des paramètres géométriques nécessaires au bon déroulement du calcul

3.3/ Cocher les options nécessaires (steady/transient, Gravity, axisymmetric...)

Figure 4 : Lecture du maillage sous Fluent

4/ Models 4.1/ 'Viscous' : par défaut calcul incompressible et visqueux en laminaire (changer les options si nécessaire)C'est au cours de cette étape qu'il est possible de spécifier les conditions d'écoulements compressibles ou non, visqueux ou non, choix du modèle de turbulence...

5/ Materials 5.1/ 'Create/Edit' -> 'Fluent database'....


… sélectionner water-liquid (par exemple...) ... puis cliquer 'Copy' et 'Close' ... et enfin, cliquer 'Change/Create' et 'Close'

Cette opération ne fait qu'ajouter les propriétés physiques de l'eau dans la bibliothèque active de Fluent, sans pour autant l'associer au domaine de calcul. Ce que fait l'étape suivante...

6/ Cell Zone Conditions : 6.1/ Editer la zone 'geom' et spécifier 'water-liquid' comme fluide

7/ Boundary conditions : corriger toutes les frontières qui ne sont pas des 'Wall'. 7.1/ Imposer une 'Velocity Inlet' (0.2 m/s) sur ENTREE 7.2/ Imposer une 'Pressure Outlet' (0 Pa par défaut) sur SORTIE 7.3/ Imposer des conditions de glissement 'Symmetry' sur les parois horizontalesC'est au cours de cette étape que les types de conditions aux limites sont corrigés et les valeurs imposées. Les données en pression sont relatives, 'gauge' signifiant « relatif à ». Les valeurs par défaut de la pression, altitude... sont consultables et modifiables via l'icône 'Boundary Conditions → Operating Conditions' et le menu 'Reference Values'.

8/ Solution Methods : sélectionner la méthode en fonction du degré de précision recherché... ou tout garder par défaut pour le 1er calcul Cette étape permet de spécifier la précision des schémas en espace et en temps. Il est judicieux de commencer par les valeurs par défaut (schéma peu précis d'ordre 1) afin de fournir une première solution qui converge facilement quitte à améliorer par la suite, l'ordre des schémas pour affiner les résultats.

9/ Monitors 9.1/ Editer 'Residuals - Print, plot' -> et mettre 'Absolute Criteria' à 10-4 Cette étape permet de spécifier le niveau de convergence des calculs, Fluent abordant la résolution du système d'équations non linéaires par une approche itérative. Chaque équation est associée à une valeur du résidu (relatif à l'écart entre deux solutions successives) qui sera affichée sur une courbe de convergence au cours du calcul.

10/ Solution Initialization 10.1/ Dans le menu 'Compute from...' sélectionner la frontière entrée et cliquer 'Initialize' Une approche de résolution itérative requiert une solution initiale... C'est l'objet de cette étape.

11/ Run Calculation 11.1/ Spécifier le nombre d'itérations (200 par ex.)11.2/ Lancer le calcul en cliquant 'Calculate'


Figure 5 : Courbes de convergence

Le calcul terminé ou convergé, l'étape suivante consiste à analyser les résultats.

'Graphics and Animations' Le volet Contours permet de visualiser les champs en couleurs (voir Figures 6 et 7).

Figure 6 : Champ de pression statique


Figure 7 : Champ de la norme de vitesse

Le volet Vectors permet de tracer le champ de vitesses (non illustré, à vous de découvrir).Le volet Pathlines permet de tracer les lignes de courant (idem).Il peut être nécessaire de vérifier (liste non exhaustive) :

-> … la conservation des débits entrant et sortant ('Reports' puis 'Fluxes')

Figure 8 : Onglet Reports puis Fluxes


-> ... la traînée exercée sur le disque et/ou les parois ('Reports' puis 'Forces') .

Figure 9 : Onglet Reports puis Forces

-> ... les profils de vitesse, pression... en entrée, juste avant le disque et en sortie . Pour cette procédure, il est avant tout nécessaire de créer les lignes correspondantes (voir menu Figure 9) puis de procéder à l'affichage des variables en spécifiant la ou les lignes précédemment créées.

Figure 10 : Création de Line-7 / Menu Surface puis Line/Rake...


Propositions pour améliorer la qualité des résultats : 1/ Augmenter la précision du schéma : dans 'Solution Methods' spécifier une méthode du 2nd ordre ou plus pour les volets 'Pressure' et 'Momentum' (calcul de la vitesse).

2/ Raffiner le maillage en fournissant depuis ICEM-CFD un nouveau maillage raffiné localement. Il est possible de partitionner la surface globale en sous-surfaces et d'associer une taille de maille différente pour chacune (icône 'Surface Mesh Setup')

3/ Adapter le maillage depuis FLUENT :1. Cliquer dans le menu 'Adapt' puis sélectionner le sous-menu 'Gradient...',

Figure 11 : Fenêtre de gestion de la procédure d'adaptation de maillage en cours de calcul

2. Sélectionner la variable qui servira au calcul des valeurs min. et max. du gradient (Pressure...),3. Cliquer sur 'Compute' pour extraire les valeurs min. et max. du gradient,4. Dans 'Refine Threshold', imposer une valeur égale au 10ème de la valeur maxi du gradient,5. Cliquer successivement sur 'Apply' et 'Mark'. Fluent indique alors dans la fenêtre de contrôle, le

nombre de cellules à découper,6. Cliquer enfin sur 'Adapt' pour modifier le maillage. Noter l'augmentation de la taille du maillage dans

la fenêtre de contrôle,7. Optionnel 1 : pour visualiser les mailles qui seront découpées, cliquer sur 'Manage' puis 'Display'.

Zoomer si nécessaire,8. Optionnel 2 : cette procédure peut être automatisée au cours du calcul en activant l'option 'Dynamic'

et en indiquant la fréquence de mise-à-jour en nombre d'itérations,9. Relancer le calcul, visualiser l'effet sur la solution ainsi que sur le maillage et si nécessaire, répéter

l'opération à partir de l'étape 1.


Travail à réaliser à l'issue de cette prise en mains des deux outils

L'objectif est de déterminer à l'aide de Fluent, le Cx (coefficient de traînée) d'un cylindre placé dans un écoulement. Bien que l'exemple soit simple, la démarche à mettre en œuvre reste générale pour n'importe quel type d'objet (véhicule, avion...).Ce coefficient est adimensionnel et indépendant du diamètre de ce dernier. Sa valeur dépend exclusivement du Reynolds pour lequel la dimension correspond au diamètre du cylindre D.

La littérature fournit les valeurs expérimentales de ce coefficient en fonction du Reynolds.

Ce coefficient est relié à l'expression de la traînée :

résultant de l'intégration des efforts de pression (traînée de forme) et visqueux (traînée de frottement) sur le cylindre. Cet effort peut facilement être calculé par Fluent à l'issue d'un calcul CFD.

Les régimes observés en fonction du Reynolds sont illustrés ci-après :


L'objectif est donc, après avoir défini un Reynolds de votre choix (diamètre imposé de 10 mm mais vitesse et viscosité de votre choix) de mener à bien un calcul sous Fluent permettant de retrouver la valeur du Cx prédite par la littérature. Ce travail requiert notamment un raffinement du maillage (cellules les plus fines possibles autour du cylindre) pour tendre vers la valeur escomptée.


Documents

Caractéristiques géométriques (dimensions en mm) : …elefra02/Tutorial1.pdf · – Spécifier 'Fluent V6' dans le menu 'Output solver' et 'ANSYS' dans le menu ... la gestion de