Des calculs de mécanique des fluides cinq fois plus rapides

Publié par Isabelle le 20/10/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs du Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique, en collaboration avec la société CS-Group, ont utilisé la méthode Boltzmann sur réseau pour simuler le phénomène de décollement aérodynamique qui peut se produire dans un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...). Cinq fois plus rapide que les méthodes classiques de simulation, cette approche ouvre la voie à des calculs plus précis et à une conception optimisée des pièces aéronautiques.


Simulation par méthode Boltzmann sur réseau du décollement aérodynamique (L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte principalement sur la...) dans une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...) d'aubes de compresseur. Les structures turbulentes de l'écoulement, ici colorées par la vitesse (On distingue :), se développent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) des aubes et s'accumulent dans la zone de décollement.
© Jérôme Boudet, LMFA

Dans un moteur d'avion, les écoulements dans les étages de compression sont tridimensionnels, instationnaires et turbulents. C'est pourquoi leur simulation est complexe, notamment si l'on veut décrire un phénomène comme le décollement de couche limite (La couche limite est la zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un...) (la formation de zones tourbillonnaires), qui nuit au fonctionnement optimal du moteur. Avec les logiciels de mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...) classiques, ce type de calculs oblige à faire des compromis ou des simplifications, compte-tenu des moyens de calculs disponibles.

Pour diminuer les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de calculs, et ouvrir ainsi la voie à des simulations plus précises, des chercheurs du Laboratoire de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) des fluides et d'acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...) (LMFA, CNRS/École Centrale Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1/INSA Lyon), en collaboration avec la société CS-Group, proposent d'appliquer à ce problème la méthode Boltzmann sur réseau.

La méthode Boltzmann sur réseau, contrairement aux méthodes classiques de simulation en mécanique des fluides, s'attache au mouvement des molécules du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...). Cela peut sembler inutilement détaillé pour modéliser des écoulements, mais en utilisant des lois d'évolution très simplifiées de molécules se déplaçant en groupes sur un réseau régulier, il est possible de simuler efficacement la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) effective du fluide. C'est ce qu'ont montré les chercheurs en se focalisant sur le phénomène de décollement aérodynamique qui peut se produire au niveau des aubes de compresseur du moteur. Les résultats sont conformes aux données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) expérimentales sur une grille d'aubes en soufflerie, et ont été obtenus cinq fois plus rapidement qu'avec les techniques de simulation classiques. L'efficacité de la méthode, et son coût réduit en termes de temps de calcul, ont également permis d'effectuer des investigations, en testant l'influence de certains paramètres, comme l'épaisseur de la couche limite incidente.

L'exemple traité dans cette étude confirme les avantages de la méthode Boltzmann sur réseau, qui exploite efficacement les architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) des calculateurs parallèles, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en étant adaptée à la simulation de géométries complexes. Les chercheurs vont maintenant poursuivre l'étude en testant la méthode avec des écoulements plus rapides (nombre de Mach plus élevé), plus représentatifs du fonctionnement réel d'un moteur d'avion.

Références:
Unsteady Lattice Boltzmann Simulations of Corner Separation in a Compressor Cascade.
Boudet, J., Lévêque, E., and Touil, H.
ASME. J. Turbomach. January 2022; 144(1): 011010. https://doi.org/10.1115/1.4052017

Contacts:
- Jérôme Boudet - Maître de conférences de l'École Centrale de Lyon, Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/École Centrale Lyon/Univ. Claude Bernard Lyon 1/INSA Lyon) - jerome.boudet at ec-lyon.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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