mars 5, 2021

Soufflerie virtuelle en ligne: simulation basée sur le cloud

Par admin2020

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La simulation en soufflerie est principalement utilisée pour tester l’aérodynamique et visualiser les flux autour d’un objet. Un simulateur de soufflerie peut aider le processus de conception technique en optimisant la portance et la traînée, en augmentant la vitesse de pointe, en détectant et en éliminant les zones de vitesse du vent élevée et en réduisant le bruit du vent pour les opérations de planification et de construction automobiles, aérospatiales, et de construction. Pourtant, ce type d’expérimentation s’accompagne d’une augmentation du prototypage, des délais de fabrication et des coûts opérationnels. Les tests en soufflerie sont souvent combinés avec des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD). Cet article explorera les applications pour lesquelles les expériences en soufflerie sont utilisées et comment des alternatives sous la forme d’essais virtuels en soufflerie peuvent constituer une solution supplémentaire rentable.

Expériences en soufflerie

Les architectes et les aérodynamiciens utilisent des expériences en soufflerie pour tout tester, des bâtiments aux conceptions d’aéronefs. Quelques types de soufflerie existants qui sont utilisés aujourd’hui sont le subsonique bas, le transsonique, le supersonique et l’hypersonique. Ces types de tunnels sont classés en fonction de la vitesse du vent qu’ils peuvent produire (c’est-à-dire que la vitesse du subsonique est inférieure à la vitesse du son).

soufflerie transsonique nasa
Soufflerie transsonique de la NASA

Lors d’un essai, le modèle de soufflerie est placé dans la section d’essai du tunnel et le fluide (dans ce cas, l’air) est amené à s’écouler devant le modèle. Il existe quatre principaux types d’essais en soufflerie: les forces aérodynamiques sur la structure, la mesure de la pression totale de la force du vent sur l’objet, le flux d’air autour du modèle et, enfin, les techniques de visualisation des flux pour fournir des informations de diagnostic.

Essais en soufflerie pour l’aérospatiale

Pour les ingénieurs aérospatiaux, les souffleries sont couramment utilisées pour tester l’aérodynamique des avions et des moteurs. Ce type d’évaluation a débuté à la fin du XIXe siècle, à l’époque primitive de l’investigation aéronautique. À ce jour, aucune soufflerie ne peut tester la taille réelle d’un navire à passagers, mais les tunnels varient en taille et peuvent tout tester, des modèles d’avions à grande échelle et d’autres véhicules aérospatiaux aux prototypes et répliques à petite échelle.

exemple d'avion simulateur de soufflerie
Essais en soufflerie aérospatiale

Lors des essais d’aéronefs, les forces de portance et de traînée sont mesurées par les sorties reçues des tests d’équilibrage des forces et des signaux d’équilibrage résultants. Les forces de pression sont assez difficiles à évaluer dans une simulation d’avion à grande échelle en raison du nombre de prises de pression instrumentales requises. Grâce à des expériences en soufflerie, un test de diagnostic ne peut pas fournir les performances globales de l’aéronef, mais peut aider l’ingénieur à mieux comprendre comment le fluide se déplace autour et à travers le modèle. En effet, différents types d’instrumentation peuvent être utilisés, de l’état stationnaire ou à débit instable à variable dans le temps ou dépendant du temps, mais pas en parallèle pour une compréhension holistique.

Tests virtuels pour les applications aérospatiales

Pour de nombreuses applications aérospatiales, les expériences en soufflerie sont limitées en ne fournissant pas de résultats robustes en temps opportun ou en ne simulant pas assez précisément les forces du monde réel. La simulation virtuelle, ou CFD et FEA en ligne, peut rendre cela possible. Par exemple, le comportement du train d’atterrissage d’aéronef en réaction aux contraintes résultant du flux d’air contre le mouvement de l’avion peut être étudié. Ce projet, ainsi que l’image de post-traitement ci-dessous, fournit un excellent exemple de la façon dont les résultats de la simulation virtuelle du vent peuvent aider les ingénieurs à comparer différentes conceptions ainsi que divers matériaux à utiliser pour les multiples composants qui entrent dans la structure simple mais compliquée. .

exemple aérodynamique en ligne de soufflerie virtuelle
Résultats de la simulation CFD pour les trains d’atterrissage d’avion

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<h2>Essais en soufflerie pour l’automobile</h2>
<p>Par rapport à l’industrie aérospatiale, les essais en soufflerie automobile ne sont pas devenus une voie d’évaluation courante avant le <a href=fin des années 1920 lorsque la vitesse est devenue un facteur de conception important. L’une des premières voitures aérodynamiques fabriquées après la révolution de la soufflerie automobile était la 1934 Edsel Ford Speedster, marquant l’histoire comme une rupture radicale avec la conception automobile traditionnelle de l’époque.

Les ingénieurs ont vite découvert que les expériences en soufflerie leur permettaient d’acquérir des données sur les forces aérodynamiques, la traînée, la portance, la force latérale et les moments; tangage, lacet et roulis; variation des forces et moments aérodynamiques avec lacet; répartition de la pression de surface; l’influence des différents détails du véhicule; traînée de refroidissement du véhicule; évaluation des flux de refroidissement des freins; et plus encore pour optimiser leurs conceptions. Bien que des tests à petite échelle et complets existent dans l’industrie automobile, il est de plus en plus populaire de remplacer l’étape d’évaluation à l’échelle du modèle moins chère par la CFD et de passer directement à des tests aérodynamiques à grande échelle. Cette tendance est apparue récemment, car la simulation CFD en ligne a été de plus en plus utilisée en parallèle avec le développement de véhicules pour tester virtuellement et faire des prédictions pour différents aspects de la conception d’une voiture.

Test en soufflerie automobile
Test en soufflerie automobile

Tests virtuels pour les applications automobiles

Comme l’aérodynamique joue un rôle important dans les performances des automobiles, une bonne planification aérodynamique aide à augmenter la force descendante et, par conséquent, la traction du véhicule sur la route, ce qui atténue les risques de décollage, de dérapage et d’accidents potentiels. Parallèlement à cela, la réduction de la force de traînée diminue la consommation de carburant, ce qui économise de l’argent pour le consommateur et réduit l’empreinte carbone du produit. Lors de la conception d’une voiture, les ingénieurs s’appuient de plus en plus sur la simulation CFD avant la création du modèle initial afin d’évaluer le flux d’air prévu autour du véhicule, en calculant les régions de haute pression, de vitesse du vent et de sillage. Ce projet, et l’image ci-dessous, fournit un excellent exemple de la façon dont l’utilisation d’une soufflerie virtuelle en ligne via une analyse de flux turbulent en régime permanent avec le modèle de turbulence K-Omega SST peut donner des informations précieuses et économiser du temps et de l’argent par rapport aux tests en soufflerie autonomes.

exemple d'auto en ligne de soufflerie virtuelle
Soufflerie virtuelle montrant les lignes de vitesse sur un repli

Lisez notre blog sur la façon dont le détenteur du record du monde de planche à roulettes de descente Pete Connolly utilise la simulation en ligne et les tests en soufflerie dans le monde réel pour améliorer l’aérodynamisme!


Essais en soufflerie pour les bâtiments

Avec l’afflux de développement dans l’industrie de la construction et la demande sociale accrue de bâtiments résidentiels, commerciaux et industriels, l’environnement bâti se développe comme jamais auparavant. Avec cela vient une augmentation de la densité urbaine jumelée à une extension d’horizon horizontalement et verticalement; parfois le seul espace à construire est en place! Avec de nouvelles structures plus hautes devenant la norme, la sécurité structurelle de ces bâtiments doit être évaluée. L’intégrité structurelle est souvent déterminée par sa conception structurelle pour résister aux charges du vent, alors que l’habitabilité des bâtiments pour vivre ou travailler est souvent entravée par les vibrations induites par le vent. Afin d’évaluer correctement à la fois l’intégrité structurelle de la charge du vent et l’habitabilité à partir de l’effet des vibrations transversales au vent, les essais en soufflerie de modèles à petite échelle sont une méthode principalement utilisée.

Pour que les architectes et les ingénieurs civils approuvent une conception, Norme ASCE / SEI 49-12 fournit des exigences minimales pour l’évaluation des expériences en soufflerie afin de déterminer la charge de vent acceptable sur les structures construites. Cette directive prend en compte les charges dues au vent, la réponse structurelle aux conditions du vent, ainsi que le revêtement pour une variété de conditions météorologiques liées au vent. De plus, en raison de l’encombrement des structures dans les zones urbaines et de la tendance à la conception atypique des structures, l’effet du vent est de plus en plus difficile à anticiper car il change constamment, et par conséquent, l’environnement du vent au niveau des piétons devient de plus en plus affecté.

Tests virtuels pour les bâtiments et le confort du vent des piétons

Pour se conformer à toutes les directives de l’ASCE, la FEA pour déterminer l’intégrité structurelle avec CFD pour évaluer d’autres aspects de la charge du vent et de l’effacement des vortex doit être appliquée. Ce projet et l’image qui l’accompagne fournissent un exemple parfait des deux enquêtes rendues possibles grâce à la simulation en ligne, comme une autre façon de vérifier et de valider les conceptions avant la construction.

analyse de la charge de vent de délestage de vortex
Résultats de l’effusion de vortex en soufflerie virtuelle

Outre les effets du vent sur les bâtiments, l’environnement du vent au niveau des piétons doit également être pris en compte. Bien que les tests en soufflerie ne se concentrent pas sur ce niveau d’analyse complexe, la CFD peut être utilisée pour identifier les zones de vents violents, de recirculation et d’inconfort général au niveau des piétons, comme le montre ce projet de SimScale.

exemple de construction en ligne de soufflerie virtuelle
Simulation CFD en ligne pour évaluer la force du vent au niveau des piétons

Limites de l’expérimentation en soufflerie

Malgré son utilisation répandue dans de nombreuses industries et pour une gamme encore plus large d’applications, il existe certaines limites à l’utilisation exclusive des tests en soufflerie qui poussent de nombreux ingénieurs à la recherche de solutions alternatives pour vérifier et valider davantage leurs conceptions. La limitation la plus évidente est la taille, car presque toutes les conceptions simulées doivent être réduites pour s’adapter à l’intérieur du simulateur de soufflerie. Cela peut avoir des impacts négatifs et modifier les caractéristiques aérodynamiques telles que le nombre de Reynold. La taille limite également tout type de mouvement, ce qui est crucial pour évaluer les conceptions aérospatiales ou même automobiles.
Parallèlement à la taille du tunnel, les murs agissant comme couche limite peuvent influencer le flux et créer un colmatage car ils contraignent et limitent la taille du domaine. Bien que cela puisse être atténué par des composants de soufflerie plus sophistiqués, il existe toujours en tant que variable. Les expériences en soufflerie entraînent également des coûts importants, de l’exécution des simulations à la création d’innombrables prototypes, et les résultats ne peuvent pas être capturés instantanément. Les tests en soufflerie virtuelle via CFD et FEA en ligne évitent ces problèmes du monde réel et fournissent une solution simple, rapide et rentable.

Soufflerie virtuelle en ligne: simulation basée sur le cloud

Avec CFD et FEA de plates-formes telles que SimScale, les ingénieurs peuvent facilement accéder, évaluer et obtenir des résultats à partir d’une soufflerie virtuelle en ligne. En utilisant la simulation basée sur le cloud, vous pouvez même exécuter des simulations en parallèle pour tester plusieurs itérations de conception en même temps, ou étudier différents aspects d’une conception en tangente, comme la perte de vortex et la charge du vent, comme indiqué dans le projet susmentionné. L’évaluation virtuelle des conceptions permet non seulement d’économiser du temps et des coûts opérationnels, mais également des ressources en éliminant le besoin de prototypage physique.

Pour vous inspirer de ce que vous pourriez tester dans une soufflerie virtuelle en ligne, consultez la bibliothèque de projets publique de SimScale.

Vent du port de Boston
Test de vent virtuel

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