Intro Comsol Master ES 2012

8/10/2019 Intro Comsol Master ES 2012

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Organisation du cours

10 sances de 3 h de cours/TDs (la moitipour apprendre ce servir du logiciel, lautrepour avancer sur le rapport)

Evaluation partir dun projet : rapport parbinme (15 pages) ncessitant de retournersouvent en salle informatique aprs le cours.

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Gnralits Les quations de bilans sont gnralement insolubles par des

mthodes analytiques (sauf dans des cas trs simples).

On sintressera aux couplages des quations de Navier-Stokes avec lquation de la temprature (y compris dans des casturbulents ).

Les mthodes numriques ou exprimentales sont les seulessolutions.

Mthodes exprimentales et numriques sont complmentaires .

Diffrents types de codes : 2 extrmespetit code de recherche et gros codes commerciaux .

Utilisateurs du code commercial COMSOL .4


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Exemples dutilisation de ce type

doutil ?

Exemples dapplications sans

mcanique des fluides ni transfertsthermiques ?

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Exemple fluent(http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/ANSYS+Fluent)

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Exemple comsol (http://www.comsol.com)

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Exemple PROMES

10Optimisation des rcepteurs solaires haute temprature


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Les rcepteurs des centrales solaires ont deux caractristiques : Chauffage asymtrique, Ecoulements turbulents.

Etude du couplage entreun fort gradient de temprature et la turbulence .

Choix dune gomtrie acadmique pour : Comparer avec la littrature, Diminuer le temps de calcul, Eviter des erreurs dues la gomtrie.

2h

Periodicit

4h

2h Direction delcoulement

h = 0.015 m

x

yz

T2 >T1

T1=293

Exemple PROMES


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Exemple PROMES (www-trio-u.cea.fr)

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Exemple PROMES

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http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_9/DNS_V5.pdf


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Pour viter dobtenir nimporte quoi,

il faut connatre la physique quelon veut simuler : Rappel des quations de Navier-

Stokes? De lquation de la chaleur ?

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Codes commerciaux

Caractristiques gnrales codes ( gnralement ) ferms utilisationconviviale (mots cls ou menus droulants) trs diffrents de conception, de performances, mais mme

schma d utilisation

Critres de choix dun code techniques adquation avec le problme pos conomiques adquation avec les problmes futurs et le

budget de lopration

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Critres de choix techniques (1/3)

Possibilits de traitement : problme permanent, transitoire problmes mcaniques

Fluides : newtoniens ou autres, compressibles,types d coulements, modles de turbulence

Solides : lois de comportement, Multiphasiques, multi constituants

problmes thermiques : coupls ou non,combustion, rayonnement

problmes chimiques : coupls ou non, ractions

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Possibilits d adaptation au cas trait(nouvelles lois,)

Domaine (2D, 3D, axisymtrique, frontiresdroites, courbes, , plusieurs domaines,)

Possibilits de maillage Maillage structur, non structur Maillage uniforme, non uniforme...

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Possibilits de choix de mthodes de rsolution Mthodes Itrations Paramtres de convergence, seuils

Possibilits dexploitation ( post-traitement ) : Iso courbes : vitesses, tempratures, Vecteurs Lignes de courant, trajectoires Calcul dintgrales, de moyennes

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Critres de choix conomiques (1/2)

Prix et mode dachat code + documentation + apprentissage (tutorial) +

installation???? nombre de postes dure dutilisation de la licence maintenance: sous quelle forme (hot line, dplacement,)

Possibilits d volution possibilits dactualisation adquation aux machines et systmes d exploitation

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Exemples de codes de CFD :Computational Fluid Dynamics

CD adapco www.cd-adapco.com

Fluent www.fluent.com

Transoft International www.fluidyn.com COMSOL (ex FEMLAB) www.comsol.fr

Powerflow www.exa.com Trio_U www-trio-u.cea.fr

(gros code de recherche)21
http://www.cd-adapco.com/http://www.fluent.com/http://www.fluidyn.com/http://www.comsol.fr/http://www.exa.com/http://www-trio-u.cea.fr/http://www-trio-u.cea.fr/http://www-trio-u.cea.fr/http://www-trio-u.cea.fr/http://www-trio-u.cea.fr/http://www-trio-u.cea.fr/http://www.exa.com/http://www.comsol.fr/http://www.fluidyn.com/http://www.fluent.com/http://www.cd-adapco.com/http://www.cd-adapco.com/http://www.cd-adapco.com/


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Pourquoi COMSOL Trs pdagogique

Modlisation Multi physique

Systmes dquations aux drives partielles Formulation variationnelle

lments finis

Environnement MATLAB22


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Organigramme gnralde lutilisation dun code (1/3)

Dfinition duproblme fluide, solide mcanique, thermique, chimique coupl stationnaire, non stationnaire

Dfinition de lagomtrie domaine, sous domaines, 2D, 3D axisymtrique,... points, lignes, courbes

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Maillage structur, non structur densit de maillage type de mailles

Qualification des domaines et sous domaines caractrisation physique des milieux (valeur de la masse

volumique, de la viscosit, de la conductivit thermique )

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Rsolution choix des procdures numriques

(on fera confiance comsol)

Comparaison avec des solutions obtenues pardautres mthodes ( analytiques par exemplecorrlation, numriques ou exprimentales )

Exploitation - Post-traitement

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Sujets traits en TD

Dveloppement dune couche limite

Echangeurs Etude des cas co-courant, contre-courant, laminaire et

turbulent.

Dpt de couche mince pour cellulesphotovoltaques

Dpt de couche antireflet pour amliorer le rendementdes cellules photovoltaques, Equation de concentration.

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Couche limite sur une plaque plane

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U U


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Echangeurs de chaleur

280.008

0.006

0.004

0.003 Fluide froid milieu 1

Acier milieu 2

Fluide chaud milieu 3

Acier milieu 4


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Dpt de couches minces

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Ides de sujets pour le projet

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Mur trombe Tour solaire Purificateur deau Panneau ou changeur pour le solaire thermique Schoir alimentaire solaire Alle de tourbillons de Von Karman

Refroidisseur de condensats dune unitdincinration des dchets Extracteur dair Cofalit

simulation de refroidissement dtermination des proprits

Rcepteur solaire solide, valuation du gradient de temprature fluide, dterminer lchange

d d l


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Ides de sujets pour le projet

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Stockage bton PCM

Puits canadien ou provenal Infrastructure de conservation de loignon Refroidissement cellule photovoltaque concentration


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l


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Remarques concernant le rapport

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Dmarche que lon suit doit tre transcrite dans le rapport.

Un plan possible est le suivant :1. Dfinition du problme (contexte et intrt, quation rsolue,

hypothses, gomtrie, conditions aux limites, proprits des milieux,maillages )

2. Validation des rsultats (les rsultats sont-ils physiques ? Comparaisonavec des rsultats exprimentaux ou/et des rsultats analytiques ou/etdes corrlations. Vrification des bilans globaux : conservation globalede la masse, de lnergie)

3. Exploitation des rsultats (Comparaison des couches limites thermiqueset dynamiques suivant les diffrents fluides, Quel type dchangeur estle plus efficace ? Quelles sont ces performances ? Quel est la vitesse dedpt ? Comment lacclrer ? Quelle est la consommation duracteur ? Comment la rduire ? )

R l


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Remarques concernant le rapport

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Il ne doit pas y avoir de captures dcran (sauf pour lanalysedes rsultats), les quations et les hypothses de travaildoivent tre expliques.

Avec le rapport, une personne doit pouvoir raliser les mmessimulations numriques que vous avec un autre logiciel oubien des expriences quivalentes.

Puissance des machines limits : travail en 2D.Connaissances + licence comsol partielles : viter les

physiques non tudies ensemble (pas de maillage mobile)

C h li i Dfi i i d bl


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Couche limite, Dfinition du problme

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Un seul matriaux : le fluide, on prendra de leau

Equation de Navier-StokesEcoulement isotherme, 2D, incompressible, stationnaireEcoulement laminaire -> domaine suffisamment courtEtude de la couche limite -> hauteur adapte

Conditions aux limites du domaine rectangulaire : bord gauche : vitesse impose, de faon gnrale on imposeen entre linconnue de lquation rsolue bords droit et haut : sortie libre bord bas : paroi immobile, vitesse nulle

Conditions initiales ?

Prciser les quations


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Le domaine

Limite externe

Plaque plane

EntreSortie

Domaine :- Dimensions- Maillage

Fluide :- lequel- caractristiques

i i


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Dimensionnement

Hypothses:

Vitesse l'infini m/s 1Longueur et paisseur

de plaque m ?

Fluide Air Eau Huile

lgre Huile

lourde

Masse volumique kg/m 3 1,21E+00 1,00E+03 8,50E+02 9,50E+02

Viscosit dynamique Pa.s 1,85E-05 1,00E-03 5,00E-02 5,00E-01

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Rsultats classiques pour le dveloppement decouches limites laminaires sur une plaque plane

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Ecoulement laminaire :

5.10 2300 xe e

xU x U x

e

paisseur de couche limite : Par convention, x donn, cest la cote (x) telle que

On montre que

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( , ) 0.99* ( )U x U x5

( ) x

x x

e

U U


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Nombre de Reynolds critique dans le cas de la couchelimite : Re c=5.10 5

A la sortie, Re MAX= 1000*1*L/10 -3

Pour tre tranquille, on prend Re MAX=10000 soit L=1cm

On a alors

On choisit une hauteur de 1 mm

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m L 44

2

10.51010.5

Comsol


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On lance comsol a partir du logo ouen le cherchant dans les programmes

On obtient la fentre de dialogue suivante

Choix des dimensions

Validation

Comsol


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Choix des quations rsoudre

Validation


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Choix des quations rsoudre

Validation


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Dfinitionsdes diffrentsparamtres

Clic droit, puisslectionnerParameters


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Equations rsolues

Incompressible


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Clic droit ajout desconditions auxlimites dentre

(inlet) et de sortie(outlet)

En slectionnantchacune dentre

elles, on prcisequelles frontiressont concernesen cliquant sur lafrontire puis surle +

Dans inlet on prcise la valeur de la vitesse avec le paramtre Uinf


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Dfinition des valeursinitiales partir desparamtres renseignsprcdemment


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Maillage

Comsol est capable deraffiner le maillage ocest ncessaire. Quelles sont ces zones ?Pourquoi ?

Maillage grossier en premierintention.On raffinera certaines zonesen fonction du rsultat obtenu.

Un bon maillage sobtientaprs plusieurs itrations.

Un maillage est assez fin si en le raffinant, on ne change pas lersultat : convergence en maillage.Maillage = compromis entre rsultat prcis et calcul couteux.


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Clic droit puisslectionner Compute


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Questions Le problme

Dimensions Solide, fluide, thermique.multiphysique Permanent, transitoire

Le domaine Forme, dimensions, sous domaines, Positionnement des axes, units,

Le modle Les constantes (fluide, vitesse infinie, g, ) Les conditions initiales Les conditions aux limites

Le maillage Structur, non structur Densit Homognit

La rsolution Lexploitation des rsultats

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R lt t l i l d l t d


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Profil de vitesse dans la couche limite (mthodeintgrale de Polhausen) :

Contrainte de frottement local

avec

Force de trane pour une plaque de longueur L et desurface A :

avec

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2

2

( , ) 13

2 ( ) ( )u x y y y

U x x

2

00

( ) ( )2 f y

U u x C x

y

0.664( ) f

x

C xe

212 D D

F U C A 1.328

D L

C e

Rsultats classiques pour le dveloppement decouches limites laminaires sur une plaque plane


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