Compte Rendu TP3 Ibrahim & Ahmed [PDF]

Zitiervorschau

Université de Sousse Institut supérieur des sciences appliquées et technologique

Compte rendu :

Encadrée par : Mme AMMAMOU Amani Réalisé par :

BOUZID Ahmed & SENDI Ibrahim

Année universitaire 2020/2021

I. 1ERE PARTIE : CONSTRUCTION ET MAILLAGE SOUS GAMBIT : 1. INTRODUCTION : Le logiciel Gambit est un mailleur 2D/3D ; préprocesseur qui permet de mailler des domaines de géométrie d’un problème de CFD (Computational Fluid Dynamics). Il génère des fichiers *.msh pour Fluent. Fluent est un logiciel qui résout par la méthode des volumes finis des problèmes de mécanique des fluides et de transferts thermiques. Gambit regroupe trois fonctions : définition de la géométrie du problèmes (construction si la géométrie est simple ou bien import de la géométrie CAO), le maillage et sa vérification, la définition des frontières (Types de conditions aux limites) et définitions des domaines de calculs.

2. CONSTRUCTION DE LA GEOMETRIE : La finalité de la construction de la géométrie est de définir les domaines de calcul qui seront des faces dans un problème 2D et des volumes dans un problème 3D. Construction nettoyage de la géométrie Maillage de la géométrie Définition des frontières et des domaines fluides

Vérification du maillage

Options d’affichage

1

3. CONSTRUCTION DE LA PIECE : Le logiciel Gambit facilite la construction géométrique grâce à ses diffèrent commandes

Symboles

Commande

Description

Créer point

Crée un point réel aux coordonnées spécifiées

Glisser un point virtuel

Change la position d’un point virtuel au long d’un segment ou d’une face

Connecter / séparer des points

Connecte des point réels ou virtuels/ sépare des points qui sont communs à deux ou plus d’une entités.

Modifier la couleur d’un point

Change la couleur d’un point

Déplacer/Copier un point

Déplace et/ou copie des points

2

4. MAILLAGE : La génération du maillage (2D ou 3D) est une phase très importante dans une analyse CFD, vu l’influence de ses paramètres sur la solution calculée. Pour les applications en turbomachines, la technique de génération de maillage peut être résumée sous la forme suivante :  La géométrie doit être préparée au préalable, avec la définition de tous les composants de la turbomachine, moyeu, volute, stator, rotor …etc., sous forme de données numériques, fichier CAD préétablie ou plutôt sous forme de fichier maillage qu’on peut importer sous Gambit.  La géométrie qui représente les différents domaines fluides est décomposée en sous domaines « maillables ».  Maillages des sous domaines fluides. La réduction du temps nécessaire à la génération du maillage est un critère de bonne maîtrise de l’utilisation des outils CFD dans le design des turbomachines. a. CHOIX DU TYPE DE MAILLAGE : Maillage structuré (quadra/hexa) Il est beaucoup plus facile de le générer en utilisant une géométrie à multi bloc, il présente les avantages suivants : • Economique en nombre d’éléments, présente un nombre inférieur de maille par rapport à un maillage non structuré équivalent. • Réduit les risques d’erreurs numériques car l’écoulement est aligné avec le maillage. Ses inconvénients : • Difficile à le générer dans le cas d’une géométrie complexe • Difficile d’obtenir une bonne qualité de maillage pour certaines géométries complexes

Structur é

Non structuré

b. MAILLAGE NON-STRUCTURE (TRI/TETRA) : Les éléments de ce type de maillage sont générés arbitrairement sans aucune contrainte quant à leur disposition. Ses avantages : Peut-être généré sur une géométrie complexe tout en gardant une bonne qualité des éléments Les algorithmes de génération de ce type de maillage (tri/tétra) sont très automatisés 3

Ses inconvénients :    

Très gourmand en nombre de mailles comparativement au maillage structuré Engendre des erreurs numériques (fausse diffusion) qui peuvent être plus importante si l’on compare avec le maillage structuré Maillage hybride Maillage généré par un mélange d’éléments de différents types, triangulaires ou quadrilatéraux en 2D, tétraédriques, prismatiques, ou pyramidaux en 3D.

Ses avantages : Combine entre les avantages du maillage structuré et ceux du maillage non structuré ! Techniques générales de génération du maillage, Pratiquement, il n’existe pas de règle précise pour la création d’un maillage valable, cependant il existe différentes approches qui permettent d’obtenir une grille acceptable. Nous pouvons résumer ces règles ainsi :     

Maintenir une bonne Qualité des éléments Assurer une bonne Résolution dans les régions à fort gradient Assurer un bon Lissage dans les zones de transition entre les parties à maillage fin et les parties à maillage grossier Minimiser le nombre Total des éléments (temps de calcul raisonnable) On peut se souvenir de ces règles en utilisant la formulation mnémotechnique QRLT.

c. SPECIFICATION DU TYPE DE MAILLAGE DES ELEMENTS FACE : GAMBIT vous donne les types de maillage suivant :

Option

Description

Map

Crée un maillage régulier et structuré

Submap

Divise une face de géométrie complexe en régions plus régulières et crée un maillage structuré en chaque région

Pave

Cree un maillage non structuré

Tri Primitive

Divise une face à trois côtés en trois régions quadrilatérales et crée un maillage mappé dans chaque région

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d. SPECIFICATION DU SCHEMA DES ELEMENTS FACE : GAMBIT vous de spécifier un type d’élément de maillage surfacique, Chaque élément est associé avec un type de maillage Option

Description

Quad

Spécifie que le maillage contient seulement des éléments quadrilatéraux

Tri

Spécifie que le maillage contient seulement des éléments triangulaires

Quad/Tri

Spécifie que le maillage est composé d’éléments quadrilatéraux mais peut contenir des éléments triangulaires

5. CONDITIONS AUX LIMITES ET DEFINITION DE DOMAINES : Le mailleur Gambit peut générer des maillages que beaucoup de solveurs peuvent

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utiliser, ainsi nous devons spécifier le logiciel solveur avec lequel on veut traiter le fichier maillage. Comme conditions aux limites, on peut imposer un débit massique à l’entrée de la machine, en utilisant la condition Mass flow Inlet ou une Velocity inlet. La pression à la sortie en utilisant la condition Pressure Outlet. La figure suivante résume les différentes conditions qu’on peut imposer pour un écoulement périodique. Ensuite, on procède à la définition des domaines de calcul.

II. 2EM PARTIE : SIMULATION FLUENT : 1. INTRODUCTION : Fluent est un programme informatique conçu pour la simulation des écoulements de fluide et du transfert de chaleur dans des géométries complexes. Il présente une grande flexibilité des résultats et une adaptation avec n’importe quel type de maillage. Il permet le raffinement du maillage en fonction des conditions aux limites, des dimensions et même des résultats déjà obtenue. Cela est très utile dans la région à gradients importants (couches limites, couches à cisaillement libre). Fluent écrit en langage C, il emploie toute la flexibilité et la puissance qu’offre ce langage. Il utilise l’architecture serveur client nécessaire au calcul parallèle sur plusieurs machines. 2. INTERFACE DU CODE FLUENT :

On peut démarrer 4 versions de Fluent 2D, 3D, 2DDP et 3DDP ayants la même interface :

   

2D (2 Dimensions) 2DDP (2 Dimensions Double Précision) 3D (3 Dimensions) 3DDP (3 Dimensions Double Précision)

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Les fonctions disponibles pour la procédure numérique sont : File : pour les opérations concernant les fichiers : lecture, sauvegarde, importation... etc. Grid : pour la vérification et la manipulation du maillage et de la géométrie. Define : pour définir les phénomènes physiques, les matériaux et les conditions aux limites. Solve : pour choisir les équations à résoudre, les schémas de discrétisations, les facteurs de sous relaxation, les critères de convergence et pour initialiser et procéder au calcul. Adapt : pour l’adaptation du maillage selon plusieurs paramètres. Surface : pour créer des points, des lignes et des plans nécessaires à l’affichage des résultats. Display et plot : pour l’exploitation des résultats. Report : pour afficher des rapports contenant les détails du problème traité. Parallel : pour le calcul parallèle. Help : pour l’exploitation du contenu du code.

3. ETAPES DE TRAVAILLE : Donc pour faire la simulation sous Fluent on peut directement suivie ces étapes-là : Principales étapes de simulation sous FLUENT 7

         

         

Importation de la géométrie (*.msh) Vérification du maillage importé Lissage du maillage (Smooth and swap the grid) Vérification de l’échelle Choix du solveur Affichage de la grille Choix du modèle de turbulence Définition des caractéristiques du fluide Operating conditions Conditions aux limites usuelles :  Velocity inlet  Pressure Inlets  Mass  Flow Inlets  Pressure Outlet  Outflow  Wall Conditions aux limites en présence d’un domaine tournant Choix des critères de convergence Autres critères de contrôle de la convergence Conservation de la masse Evolution d’une intégrale (surfacique ou volumique) d’une variable pendant les calculs Affichage pendant les calculs de la force exercée sur une paroi Initialisation des calculs Sauvegarde du fichier *.cas Lancement de la simulation Post-traitement de la solution

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III. TRAVAILLE DEMANDER : 1. BUT DE MANIPULATION : Cette manipulation consiste à faire la construction géométrique d’une conduite circulaire et de déterminer le coefficient de la perte de charge linéaire  en régime laminaire et de déterminer leur rapport avec le nombre de Reynolds.  CONSTRUCTION GEOMETRIQUE :

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2. CALCULE THEORIQUE _ DIAMETRE CONSTANT : On va faire le calcule théorique de cette manipulation on cherche  et de Re : = 𝑹𝒆 = 𝜟𝑷𝑳 =

𝟔𝟒 𝑹𝒆

𝝆×𝒗×𝒅 µ

𝝀 × 𝑳 𝝆 × 𝒗𝟐 × 𝑫 𝟐

Avec : On va utiliser l’eau comme fluide d’où les caractéristiques de l’eau sont :  

𝝆 = 𝟗𝟗𝟖. 𝟐 𝒌𝒈/𝒎𝟑 µ = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟎𝟎𝟑 𝒌𝒈(𝒎/𝒔)

On va utiliser un seul diamètre pour ce calcule : 

𝒅 = 𝟏𝟐 𝒎𝒎

On va faire 3 essais avec des diffèrent vitesse   

𝒗𝟏 = 𝟎. 𝟏𝟔 𝒎/𝒔 𝒗𝟐 = 𝟎. 𝟏𝟑 𝒎/𝒔 𝒗𝟑 = 𝟎. 𝟏 𝒎/𝒔

a. LES RESULTATS : ρ (Kg /m3)

µ Kg(m/s)

D M2

v (m/s)

Re



1er

998.2

0.001003

0.012

0.16

1910.812

0.03

2em

998.2

0.001003

0.012

0.13

1552.534

0.04

3em

998.2

0.001003

0.012

0.1

1194.257

0.05

Grandeur Essais

10

b. LE COURBE SUIVANT REPRESENTE LA VARIATION DE  EN FONCTION DE Re :

0.06 0.055 0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Re

3. LES RESULTATS DE SIMULATION SOUS FLUENT : Les trois courbes ci-dessous représentent la variation de pression en fonction de la position du fluide à l’intérieur de la conduite : a. Les résultats de plot : Vitesse 1 :

11

Vitesse 2 :

Vitesse 3 :

Après la lecture des plots on conclure ce tableau qui nous montre les ΔP et les coefficients de la perte de charge :

Vitesse 1 Entrée Pression

Vitesse 2

Sortie

28,6833

-20,049

Entrée

Sortie

22,1321

-15,6002

Vitesse 3 Entrée

Sortie

15,8895

-11,5962

ΔP

48,7323

37,7323

27,4857

l

0,045768915

0,053680957

0,066084632

Re

1398,328966

1192,229116

968,4551118 12

b. LES RESULTATS DE REPORT : Le logiciel fluent nous permettre aussi d’exporter une fichier Excel qui contient tous les résultats numérique de la simulation. vitesse 1 Entrée Pression

vitesse 2

Sortie

28,7951

-19,87

Entrée

vitesse 3

Sortie

22,2045

Entrée

-15,4077

Sortie

16,2415

-11,3042

ΔP

48,6651

37,6122

27,5457

l

0,045705802

0,053510093

0,066228892

Re

1400,259871

1196,036038

966,3456244

c. LES COURBES SUIVANTES REPRESENTENT L’EVOLUTION DE  EN FONCTION DE RE :

Plot 0.066084632

0.07 0.06



0.053680957 0.045768915

0.05 0.04

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Re Report 0.08

0.066228892

0.07

0.053510093



0.06

0.045705802

0.05 0.04 0.03 0.02 900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Re 13

d. CONCLUSION : On conclure qu’il y a une relation proportionnelle entre le coefficient de la perte de charge et le nombre de Reynolds ; en effet on observe la diminution de  lorsque on augmente le Re d’une part, d’autre part on constate que les résultats obtenus par le plot et le report sont plus précis que les résultats de calcule théorique. 4. VARIATION DE DIAMETRES : On va utiliser une seule vitesse pour ce calcule : 

𝑽 = 𝟎𝟐𝟓 𝒎/𝒔

On va faire 3 essais avec diffèrent diamètres :   

𝑫𝟏 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟖 𝒎𝐦 𝑫𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟔 𝒎𝐦 𝑫𝟑 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 𝒎𝐦 Diamètre 1 Entrée

Pression

Sortie

92,3827

-56,468

Diamètre 2 Entrée

Sortie

143,1705

-110,732

Diamètre 3 Entrée

Sortie

298,862

-277,894

ΔP

148,8507

253,9025

576,756

l

0,038174493

0,048837187

0,073957892

Re

1676,512102

1310,476791

865,3572741

 Plot de diamètre 1 :

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 Plot de diamètre 2 :

 Plot de diamètre 3 :

Conclusion : D’après les plots et les reports on peut dire que les résultats obtenus de Re et l sont en relation proportionnellement de manière que lorsque le nombre de Reynolds diminue le coefficient de pertes de charge augmente . 15