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TF01 : Tutoriel (succinct) de prise en main des outilsVersion 2

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

Étude de l'écoulement autour d'un disque

Caractéristiques géométriques (dimensions en mm) : - domaine rectangle de 500 mm par 200 mm - disque de diamètre 10 mm centré en (100, 100)

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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 pointspour le disque (le centre et 2 autres à 90 degrés).

+ Icône 'Create/Modify Curve' - Création des lignes de contour et du disque en spécifiant (à droite de l'onglet Part)avant chaque création de ligne, contour... le nom associé à la frontière : DISQUE,ENTREE, SORTIE, PAROI_BASSE, PAROI_HAUTELa saisie du nom de la frontière n'est possible que si l'option ' Inherit part' estdécochée !

Figure 1 : Création des points et lignes du contour

ELF TF01 Session Printemps Tutoriel ICEMCFD & FLUENT Version 06/15

+ Icône 'Create/Modify Surface' - Création de la surface totale EN INCLUANT le disque (en sélectionnant tout parune sélection rectangulaire à la souris)L'inclure vous permettra par la suite de pouvoir l'effacer. C'est la surface occupée par lefluide qu'il faut mailler et non le disque...

- Effacer la surface liée au disque (seulement possible si préalablement inscrit dansla 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 (=3, 5 ou 10) dans 'Global Element SeedSize'- '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' !

L'option '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' = 0.25 * 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 dela taille moyenne spécifié un peu plus haut (le contour du disque est désormais maillé mais restecependant 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 défautpour le maillage volumique.

Figure 3 : Génération du maillage - taille globale 10, pas de raffinement sur le disque(1 026 nœuds pour 2 058 éléments triangulaires)

Figure 4 : Génération du maillage - taille globale 5, raffinement 0.5 sur le disque


(6 551 nœuds pour 13 108 éléments triangulaires)

Figure 5 : Génération du maillage - taille globale 3, raffinement 0.25 sur le disque(25 333 nœuds pour 50 672 éléments triangulaires)

REMARQUE : pour effacer un maillage :1. sélectionner l'onglet 'Edit Mesh' 2. puis l'icône 'Delete Elements'. 3. Taper 'all' dans le cadre puis 'Apply'

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 fairedes sauvegardes régulières en spécifiant des noms différents à l'issue des phases degénération des surfaces, du maillage et des conditions aux limites.


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Procédures pour la simulation de l'écoulement 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

Vérifier parmi les données qui défilent dans la fenêtre de Fluent, que les noms des frontièresapparaissent bien : DISQUE, ENTREE, SORTIE, PAROI_BASSE, PAROI_HAUTE.

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 géométriquesnécessaires au bon déroulement du calcul

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

Figure 6 : 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'écoulementscompressibles 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 deFluent, sans pour autant l'associer au domaine de calcul. Ce que fait l'étape suivante...

6/ Cell Zone Conditions : 6.1/ Éditer 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 horizontales

C'est au cours de cette étape que les types de conditions aux limites sont corrigés et les valeursimposées. 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 decommencer par les valeurs par défaut (schéma peu précis d'ordre 1) afin de fournir une premièresolution qui converge facilement quitte à améliorer par la suite, l'ordre des schémas pour affiner lesrésultats.

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 résolutiondu système d'équations non linéaires par une approche itérative. Chaque équation est associée àune valeur du résidu (relatif à l'écart entre deux solutions successives) qui sera affichée sur unecourbe 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'.

Le bon déroulement du calcul se traduit par l'affichage en simultané des courbes de résidustel qu'illustré Figure 7 et des valeurs de résidu dans le fenêtre du bas.

Figure 7 : Courbes de convergence (1 pour la continuité, 2 pour Navier-Stokes)

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 8 et 9).

La fonction de zoom avec la souris s'obtient par la saisie en mode rectangulaire :

• direction NW->SE (ou haut/gauche -> bas/droit) pour zoomer,• direction SE->NW (ou bas/droit ->) haut/gauche pour dé-zoomer.


Figure 8 : Champ de pression statique autour du cylindre

Figure 9 : Champ de la norme de vitesse autour du cylindre

Le volet Vectors permet de tracer le champ de vitesses. Il est généralement nécessaired'appliquer un facteur multiplicateur, les vecteurs étant à peine visibles par défaut.


Figure 10 : Champ de la norme de vitesse autour du cylindre (facteur amplificateur de 10)

Le volet Pathlines permet de tracer les lignes de courant (non illustré, à vous de découvrir).

Afin de valider la bonne utilisation de l'outil, il est nécessaire de vérifier (liste nonexhaustive) :

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

Figure 11 : Onglet Reports puis Fluxes


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

Figure 12 : Onglet Reports puis Forces

Figure 13 : Lecture de la traînée de forme (en pression) et visqueuse

-> ... 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 menuFigure 14) puis de procéder à l'affichage des variables en spécifiant la ou les lignes précédemmentcréées.


Figure 14 : 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 du2nd ordre ou plus pour les volets 'Pressure' et 'Momentum' (calcul de la vitesse). A titred'exemple, sélectionner l'option 2nd order pour la pression et Third-order MUSCL pour laquantité de mouvement, influence significativement le champ de vitesse tel qu'illustré ci-dessous :

Figure 15 : Champ de vitesse avec ordre de précision élevé en espace


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

3/ Adapter le maillage depuis FLUENT :

a) Cliquer dans le menu 'Adapt' puis sélectionner le sous-menu 'Gradient...',

b) Sélectionner la variable qui servira au calcul des valeurs min. et max. du gradient(Pressure...),

c) Cliquer sur 'Compute' pour extraire les valeurs min. et max. du gradient,

d) Dans 'Refine Threshold', imposer une valeur égale au 10ème de la valeur maxi du gradient,

e) Cliquer successivement sur 'Apply' et 'Mark'. Fluent indique alors dans la fenêtre de contrôle,le nombre de cellules à découper,

f) Cliquer enfin sur 'Adapt' pour modifier le maillage. Noter l'augmentation de la taille dumaillage dans la fenêtre de contrôle,

g) Optionnel 1 : pour visualiser les mailles qui seront découpées, cliquer sur 'Manage' puis'Display'. Zoomer si nécessaire,

h) 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,

i) 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 (a).

Figure 16: Fenêtre de gestion de la procédure d'adaptation de maillage


en cours de calcul

A l'issue de cette procédure de raffinement de maillage, certaines cellules ont été découpéesen 4 cellules tel qu'illustré Figure 17.

Figure 17: Raffinement de maillage et superposition du champ de vitesses


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 cylindreplacé dans un écoulement. Bien que l'exemple soit simple, la démarche à mettre en œuvrereste générale pour n'importe quel type d'objet (véhicule, avion...).

Ce coefficient est adimensionnel et indépendant du diamètre de ce dernier. Sa valeurdépend exclusivement du Reynolds pour lequel la dimension correspond au diamètre ducylindre D.

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

Figure 18 : coefficient de traînée d'un cylindre placé dans un écoulement (expé)

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

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


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

Figure 19 : régimes d'écoulement autour d'un cylindre en fonction du Reynolds

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


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