mars 5, 2021

5 conseils sur la façon de créer un meilleur maillage pour CFD ou FEA précis

Par admin2020

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La création d’un maillage de haute qualité est l’un des facteurs les plus critiques à prendre en compte pour garantir la précision de la simulation. Il est important de noter qu’il existe des distinctions significatives entre les maillages créés pour deux des domaines de simulation les plus courants: la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et l’analyse par éléments finis (FEA). Cet article fournira quelques conseils rapides pour améliorer la qualité de votre maillage et donc augmenter la qualité des résultats pour les simulations effectuées avec la plate-forme basée sur le cloud SimScale.

Maillage FEA d'un cadre de vélo
Maille FEA d’un cadre de vélo
Maillage CFD d'une voiture de Formule 1
Maillage CFD d’une voiture de Formule 1

Le maillage sur SimScale est réalisé avec snappyHexMesh, un générateur de maillage qui «construit» des maillages de manière itérative sur votre géométrie. Comme mentionné par le wiki OpenFOAM, «snappyHexMesh est plus un sculpteur de maillage qu’un générateur, car il nécessite un maillage de base déjà existant pour travailler avec».

SimScale propose quatre méthodes de maillage principales:

  • Têt-dominant
  • Automatique à dominante hexadécimale (uniquement CFD)
  • Paramétrique à dominante hexadécimétrique (uniquement CFD)
  • «Soufflerie / flux externe» automatique à dominante hexadécimale (uniquement CFD)

Parmi les quatre méthodes de maillage, les mailleurs hexadécimaux sont uniquement destinés à être utilisés dans CFD, tandis que la méthode à dominante tétine peut être appliquée à la fois à la CFD et à la FEA. La méthode à dominante tet est généralement utilisée dans les maillages 3D où la robustesse est plus importante. Bien que les éléments de surface quadrangulaires soient une option, des erreurs peuvent parfois se produire si l’option est activée.

Les trois autres méthodes hexadécimales, comme vous pouvez le deviner, ne sont utilisées que pour les maillages CFD. Ces deux méthodes hexagonales automatiques fournissent un moyen simple et efficace de créer rapidement un maillage qui peut être facilement ajusté pour sa finesse en fonction de l’utilisation d’un flux externe ou interne. Cependant, pour atteindre le niveau de qualité requis par la plupart des simulations précises, l’option paramétrique à dominante hexadécimale hautement personnalisable est l’option préférée.

Bien que généralement valables pour la génération de maillage, les conseils ci-dessous s’appliqueront particulièrement à la méthode paramétrique à dominante hexadécimale.


Signe et consultez notre blog SimScale pour bien plus!

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<h2><b>Importance d’un maillage précis et de haute qualité </b></h2>
<p><span style=Étant donné qu’un bon maillage est la base d’une simulation en ligne FEA ou CFD, il est important de comprendre exactement pourquoi il est essentiel de garantir sa précision et sa qualité.

Une question courante est: « Si je veux une meilleure qualité de maillage, ne puis-je pas simplement augmenter le niveau de finesse aussi haut que possible? » Bien que l’augmentation de la finesse produise généralement un maillage de meilleure qualité, le coût de calcul augmentera également considérablement. Un maillage de haute qualité signifie également qu’il existe un équilibre optimal entre le coût de calcul et le niveau de finesse atteint.

Un maillage de mauvaise qualité entraînera non seulement des résultats de simulation inexacts, mais pourrait même provoquer une erreur du solveur en raison de l’instabilité. Une telle instabilité est généralement causée par des cellules de mauvaise qualité ou illégales. C’est quelque chose que vous voulez éviter autant que possible. De même, alors qu’un maillage peut contenir des millions de nœuds, ce fait à lui seul n’équivaut pas nécessairement à la qualité. Ces bizarreries dans les maillages sont spécifiques au cas et ne seront pas couvertes dans cet article.

5 conseils pour créer un meilleur maillage

Cela étant dit, allons droit au but. Voici cinq conseils pour créer un meilleur maillage et garantir la précision de vos résultats de simulation.

1. Une géométrie étanche simplifiée et propre

Assurer une géométrie bien définie, simplifiée, propre et extrêmement étanche fera souvent la différence entre un maillage de haute qualité réussi ou un maillage pauvre, illégal et rempli de cellules. Les géométries doivent être solides et ne présenter aucune caractéristique anormale telle que des intersections ou des affleurements pointus. Une géométrie propre dicte qu’elle est fermée et exempte de défauts géométriques. La création d’une géométrie étanche permettra au solveur de différencier les différents domaines de flux, ce qui est très important, notamment pour les simulations de flux externes. Cela peut être vérifié nativement sur SimScale.

Un cas de géométrie médiocre et trop complexe.  Remarquez la zone en surbrillance montrant l'intersection des pièces, mauvaise qualité du maillage
Un cas de géométrie médiocre et trop complexe. Remarquez la zone en surbrillance montrant l’intersection des pièces.
Indication sur le journal des événements de géométrie de SimScale sur la géométrie étanche.  Non étanche (L) et étanche (R)
Indication sur le journal des événements de géométrie de SimScale sur une géométrie étanche. Pas étanche (à gauche) et étanche (à droite)

2. Décider et maintenir une bonne taille de grille générale

En général, le maintien du rapport d’asymétrie de la cellule est la clé de la précision et de la qualité. Pour les géométries complexes, le maintien du rapport d’asymétrie de chaque cellule peut être difficile, voire impossible, il est recommandé de s’assurer qu’il est étroitement respecté. Différents cas nécessitent et dictent différents rapports d’asymétrie, mais pour un usage général, une forte distorsion de cellule est souvent une indication que le rapport d’asymétrie de la cellule est trop grand et qu’un raffinement supplémentaire est nécessaire. Remarquez la figure ci-dessous: bien qu’il s’agisse d’un maillage tétraédrique, vous pouvez facilement voir lequel est de moins bonne qualité.

Inclinaison d'un maillage de voilure en diamant 2D.  Ratio d'asymétrie bien maintenu (L) & Ratio d'asymétrie médiocre / non maintenu (R), qualité du maillage
Inclinaison d’un maillage de voilure en diamant 2D. Rapport d’asymétrie bien maintenu (à gauche) et mauvais rapport d’asymétrie / non maintenu (à droite)

Pour la méthode de maillage hex-paramétrique, le maintien d’une taille de grille globale qui maintient le rapport d’asymétrie bas est un moyen simple mais efficace d’augmenter la précision. Cela peut être fait en sélectionnant d’abord la taille de cellule prévue via la littérature ou des travaux référencés avant que la distance de domaine ne soit calculée et divisée par le nombre de cellules.

Par exemple, si l’utilisateur a besoin d’une taille de cellule de 0,5 m pour un domaine de 10 par 10 par 10 m, l’utilisateur doit alors prendre la longueur de chaque domaine, la diviser par la taille de la cellule, puis entrer les résultats dans les opérations de maillage. ci-dessous pour toutes les longueurs afin de maintenir l’inclinaison à 1, ce qui est idéal.

Entrée du numéro de cellule paramétrique à dominante hexadécimétrique
Entrée du numéro de cellule paramétrique à dominante hexadécimétrique

3. Augmentation de la finesse du maillage dans les zones critiques

Cette astuce est liée à l’équilibre entre le coût de calcul et la finesse du maillage. Supposons que vous ayez une taille de cellule générale spécifique à maintenir, mais que vous ayez besoin d’une précision supplémentaire près des pièces critiques qui, si elles étaient ajustées en fonction de la taille de cellule globale, seraient beaucoup trop coûteuses en calcul à simuler. Un moyen de contourner ce problème serait de désigner la zone au niveau ou autour de la partie critique avec un raffinement plus élevé dans cette région particulière. Cela réduit efficacement la taille de cellule de la zone cible uniquement mais n’augmente pas considérablement le coût de calcul.

Raffinement de la région circulaire (violet) et raffinement du maillage dans la zone critique (bord de fuite de la voilure)
Raffinement de la région circulaire (violet) et raffinement du maillage dans la zone critique (bord de fuite de la voilure)

Cette méthode peut être appliquée pour augmenter encore la précision des simulations qui n’ont pas choisi de le faire et est souvent utilisée dans des applications telles que la prédiction de sillage ou la génération de vortex. Pour effectuer cela avec SimScale, une boîte géométrique doit d’abord être créée, puis un raffinement de région appliqué à cette boîte géométrique.

Options de définition de zone géométrique pour le raffinement de région
Options de définition de zone géométrique pour le raffinement de région
Options de raffinement du maillage
Options de raffinement du maillage

4. Raffinement de la couche limite et Y +

Le raffinement ou l’inflation de la couche limite est un paramètre de maillage critique qui est parfois négligé par ceux qui sont nouveaux dans les simulations en ligne CFD. Tout en augmentant efficacement la précision près de la surface interne ou externe de la géométrie, le raffinement de la couche limite maintient également de manière plus critique la valeur de distance de paroi sans dimension ou Y + pour le modèle de turbulence choisi afin d’augmenter la précision. Y + est un facteur clé qui est directement lié au modèle de turbulence utilisé. Par exemple, l’utilisation du modèle kw SST dicte souvent un Y + inférieur à 1 pour que le maillage capture les effets de mur.

Gonflage de la couche limite d'un profil aérodynamique en diamant y + <1.  Vue d'ensemble (L) avec gros plan à droite (R) cerclé de raffinement de maillage rouge, qualité de maillage

De nombreux sites Web fournissent un calculateur simple qui permettra de déterminer la plus petite couche près de la géométrie pour une valeur Y + donnée. Ces sites Web incluent Point par point et cfd-en ligne, avec Pointwise fournissant une application téléphonique qui peut être téléchargée pour calculer Y +.

5. Étude de convergence des mailles

Le dernier conseil concerne l’optimisation et la détermination du maillage idéal à utiliser pour d’autres simulations. Une étude de convergence de maillage dicte qu’un maillage général est créé pour le cas problème, une simulation est exécutée et les résultats sont obtenus. Ensuite, le processus est répété avec une augmentation continue de la finesse du maillage. Les étapes sont répétées avec une finesse de maillage toujours croissante jusqu’à ce que les résultats obtenus s’écartent dans une plage de moins de 1% à 5% selon les critères.

Une fois que les résultats ont dévié dans les critères requis, le maillage le plus grossier produit qui est toujours dans les critères est considéré comme le maillage de base et, en tant que tel, les résultats obtenus sont alors aussi précis que possible pour le maillage donné.

Variation des résultats d'un projet Urban Windflow pour différents niveaux de finesse du maillage (T.Van Hoof, B.Blocken, Y. Tominaga, 2017)
Variation des résultats pour un projet de flux de vent urbain pour différents niveaux de finesse de maillage (T.Van Hoof, B.Blocken, Y. Tominaga, 2017)

Une étude de convergence de maillage appropriée garantira non seulement que votre maillage est aussi précis que possible, mais aussi optimal. Cela signifie que vous équilibrez le temps de calcul avec la précision, ce qui est crucial lorsqu’il s’agit de maillages volumineux et complexes.

Conclusion

Avec ces cinq conseils rapides et une meilleure compréhension des options de maillage de SimScale, ainsi que des informations sur les raisons pour lesquelles la qualité du maillage est si importante, vos maillages devraient avoir une augmentation considérable de la qualité et de la précision. Cela conduit non seulement à une meilleure convergence, mais également à des résultats plus précis de vos simulations. Bien que cet article ne couvre pas tous les critères à prendre en compte pour un maillage hautement qualitatif et précis, j’espère qu’il vous a aidé à obtenir des informations précieuses sur une partie aussi critique de la simulation.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le maillage, vous trouverez cet article intéressant: Conseils pour mailler votre modèle CAO pour l’analyse structurelle.

Les références

  • http://openfoamwiki.net/index.php/SnappyHexMesh
  • http://www.iaeng.org/publication/IMECS2009/IMECS2009_pp2165-2170.pdf
  • https://www.engineering.com/DesignSoftware/DesignSoftwareArticles/ArticleID/9296/3-Criteria-for-Assessing-CFD-Convergence.aspx
  • TV Hooff, B. Blocken et Y. Tominaga, «Sur la précision des simulations CFD des flux de ventilation croisée pour un bâtiment isolé générique: comparaison des RANS, LES et des expériences», Bâtiment et environnement, p. 18, 13 décembre 2016.

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