Ce guide décrit les étapes essentielles du développement d’un exemple de validation pour la simulation CFD, de la sélection d’un scénario physique approprié à l’analyse et à la comparaison des résultats. En suivant minutieusement ces étapes, les ingénieurs et les chercheurs peuvent renforcer la crédibilité de leurs modèles CFD, ce qui ouvre la voie à leur application efficace dans divers domaines tels que l’aérodynamique, l’aérospatiale et les études environnementales.
La création d'un exemple de validation pour les simulations de mécanique des fluides numérique (CFD) dans les applications du génie éolien implique plusieurs étapes spécifiques adaptées aux complexités du flux de vent et de ses interactions avec les structures et les environnements. Voici un tutoriel pas à pas :
1. Définition du problème du génie éolien
- Spécifiez clairement le scénario de vent que vous simulez, tel que le flux de vent autour de bâtiments, de ponts ou d’autres structures.
- Inclure des détails sur le terrain, les caractéristiques des couches limites atmosphériques et les facteurs environnementales pertinents.
2. Sélectionner le cas de référence approprié
- Choisissez un projet de génie éolien bien documenté avec des données fiables, expérimentales ou sur le terrain. Il peut s'agir d’essais en soufflerie ou de mesures grandeur-nature.
- Ce cas doit être similaire à votre scénario en termes de géométrie, d’échelle et de conditions de vent.
Pour notre étude actuelle, l’article scientifique [1] du Journal of Wind Engineering est choisi comme cas de référence. Le modèle est affiché sur la Figure 1 :
3. Développement d’un modèle CFD
- Géométrie de la structure : créez un modèle numérique de la structure et du terrain environnant. Pour les bâtiments, incluez les détails comme la forme, les caractéristiques de la façade et les structures proches.
- Maillage : Générez un maillage qui capture avec précision la géométrie, en mettant l’accent sur les zones où des gradients de flux élevés sont attendus, tels que les coins et les bords des structures.
- Conditions aux limites et initiales : définissez les conditions aux limites qui reflètent le profil du vent (vitesse et direction) à différentes hauteurs, variations de température et conditions de pression.
- Paramètres du solveur : sélectionnez les solveurs et modèles de turbulence appropriés (tels que k-ε ou simulation des grandes structures de la turbulence) qui se sont avérés performants dans la simulation des flux de vent.
Les hypothèses initiales sont considérées comme dans le Tableau 1.
| Alignement = gauche | Alignement = gauche | Alignement = gauche | Alignement = gauche |
| Vitesse de référence du vent | V | 10,13 | m/s |
| Hauteur de la toiture | h | 6 | m |
| Dimension horizontale | α | 6 | m |
| Angle de toiture | θtoiture | 0 | Degré |
| Densité de l'air – RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Directions du vent | θVent | 0 | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | État stable RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosité cinématique (Équation 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| ordre du schéma - RWIND | Premier et deuxième | - | - |
| Valeur résiduelle visée - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type résiduel - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimal d'itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction de voile – RWIND | Amélioré/lissé | - | - |
4. Exécution de la simulation
- Effectuez des simulations en considérant des analyses de flux stationnaire et transitoires, car les flux de vent peuvent avoir des variations temporelles importantes.
- Assurez-vous que la simulation dure suffisamment longtemps pour saisir les dynamiques d’écoulement pertinentes autour des structures.
5. Processus de validation
- Comparer avec les données de référence : Comparez les résultats de votre simulation avec les données du cas de référence, en vous concentrant sur des paramètres tels que les profils de vitesse du vent, la distribution de pression sur les structures et l'intensité de la turbulence.
- Analyse de l'erreur : Effectuez une analyse numérique pour évaluer les écarts entre votre simulation et les données de référence.
- Analyse de sensibilité : Testez comment les modifications de la densité de maillage, des conditions aux limites et des modèles de turbulence affectent vos résultats.
Dans l'exemple actuel, l'analyse de sensibilité est affichée selon la Figure 2. Les résultats des forces de traînée totales sont étudiés pour quatre maillages différents. L’indépendance du maillage est obtenue à 1,6 millions de cellules.
6. Documentation
- Documentez en détail votre méthodologie, y compris les hypothèses, les conditions aux limites et tous les paramètres pertinents.
- Incluez une comparaison détaillée de vos résultats avec les données de référence, en mettant en évidence à la fois les accord et les écarts.
7. Raffinement itératif
- S’il y a des écarts importants par rapport aux données de référence, vous pouvez affiner votre modèle. Cela peut inclure un ajustement de la résolution du maillage, la modification des modèles de turbulence ou la modification des conditions aux limites.
- Répétez le processus de simulation et de validation jusqu’à ce que le modèle puisse prévoir de manière fiable le comportement du vent.
8. Considérations relatives aux applications en génie éolien
- Les simulations CFD du génie éolien doivent souvent prendre en compte des phénomènes complexes tels que le détachement tourbillonnaire, le tremblements et les effets de sillage.
- La topologie urbaine, les effets du terrain et les conditions de stabilité atmosphériques ont une influence considérable sur le flux de vent et doivent être inclus dans le modèle le cas échéant.
9. Résultats
Le diagramme de la valeur Cp moyenne à l’aide d’une simulation de flux stationnaires est effectué pour la méthode de génération de maillage simplifiée et exacte dans RWIND ainsi que pour les première et deuxième méthodes du schéma numérique. Les résultats montrent un bon accord entre la méthode expérimentale et numérique en ce qui concerne la référence [1]. Les Figures 3 et 4 montrent la valeur moyenne de Cp sur la ligne spécifiée en direction verticale et horizontale.
10. Conclusion
Ce processus de validation est essentiel pour que votre modèle CFD représente avec précision les complexités du flux de vent dans les applications d’ingénierie. Cela augmente la confiance dans les résultats de la simulation, qui peuvent ensuite être utilisées pour les décisions de calcul, les évaluations de sécurité ou d’autres études de recherche. Vous pouvez télécharger le modèle de validation ici :
