Géométrie

Pour que nous puissions avoir une étude complète du boîtier papillon, nous devrons travailler avec trois géométries différentes :

L’objectif est trouver les valeurs maximales, minimales et souhaités d’un certain paramètre, pour que on puisse comparer avec la valeur expérimentale. Par exemple, si on souhaite avoir le débit d’air quand une différence de pression et un angle d’ouverture donné, les simulations avec les trois géométries seront démarres. La géométrie avec les tolérances maximales va nous donner le débit plus faible (papillon plus grand possible et boîtier plus petit), la deuxième va nous donner le débit plus grand (papillon plus petit possible et boîtier plus grand), et la dernière va nous donner une valeur entre les deux. Le résultat expérimental doit être proche du résultat nominal et entre les valeurs maximal et minimal.

Comme les plans industriels des boîtiers papillons sont maintenus en confidentialité, et le temps de projet BEI est relativement court, nous avons travaillé dans ce projet juste avec les valeurs nominales.

A partir des documents fournis par Synerject qui contient les dimensions du boîtier papillon, nos premières simulations ont été réalisées sur un tuyau de 600 mm de longueur avec un diamètre nominal de 44,017 mm, un papillon avec diamètre nominal de 43,971 mm et angle de repos α0 de 6°. L'axe central de l'arbre du papillon est situé à 50 mm de l'entrée, de sorte que nous pouvons être sûrs que le flux d'air sera complètement développé avant d’arriver au papillon.

 La géométrie et le maillage ont été créés en utilisant le logiciel (CD-Adapco STARCCM+ version 9.06.011).

Avantages de STARCCM+

Le logiciel STARCCM+ a été choisi comme meilleur outil pour traiter l’aérodynamique dans un boîtier papillon pour deux motives :

  • Il permet de travailler avec des géométries 3D ;
  • Il permet de créer un maillage chimère.

En fait, ce projet peut être travaillé avec un logiciel 0D aussi, mais STARCCM+ nous permet de voir le trajet d’air, l’emplacement des vitesses critiques, les ondes de choc (quand on a un écoulement supersonique), etc.  Donc, en première temps, on commence à travailler avec le 3D, et quand on connaît tous les paramètres impactant sur le modèle de boîtier papillon, on passe à modélisation 0D.

Le maillage chimère, ou maillage Overset, est utilisé quand nous avons des problèmes avec plus d’un corps ou des corps mobiles. Avec cette option nous pouvons créer deux maillages, un fixe (boîtier) et l’autre mobile (papillon), et tourner le maillage mobile chaque fois qu’on veut faire une simulation. Si on ne travaille pas avec l’overset mesh, il faut créer un maillage (donc une géométrie) différente pour chaque angle d’ouverture.  

Géométrie Idéale

L'objectif de ce premier tutoriel est de modéliser l'écoulement compressible causé par un gradient de pression dans un profil cylindrique (en représentant le boîtier papillon), en tenant compte des multiples contraintes liées à la géométrie évoquées dans l'introduction précédente. Comme on va travailler avec une géométrie 3D, nous devrons partir de géométries 2D et essayer de les extruder ou de les révolutionner afin d’avoir différents solides.

Tout d'abord, après avoir créé une nouvelle simulation dans StarCCM+, on va éditer la géométrie dans Geometry > 3D-CAD Models clic droit -> New.

Vous arrivez dans un nouvel onglet dans lequel vous allez faire clic droit sur XY et create sketch.

Nous allons commencer par créer un demi-profil du papillon. A l'aide de l'outil Create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.001, 0, 0) et finisse à (0.001, 0, 0), donc l’épaisseur de 2mm. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que le rayon du papillon soit de 0.021985 m. Ne pas oublier de créer un axe de rotation et le mettre à côté du papillon, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 4: Dessin du demi-profil du papillon

Pour qu’on puisse diminuer la quantité totale de cellules, on va diviser le boîtier en trois parties : Le centre, l’entrée et la sortie. On va recommencer les mêmes actions de manière à créer le centre, que doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 5: Dessin du demi-profil du centre du boîtier

Puis, l’entrée doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 6 : Dessin du demi-profil de l'entrée du boîtier

Enfin la sortie, doit être crée de la même façon. Comme hauteur on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.03 m. Maintenant on va dessiner l’arbre de rotation du papillon, donc vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. Avec l’aide de l’outil Create circle, on va mettre le centre de l’arbre à (0, 0, 0) et un rayon de 0.004055 m, comme la figure suivante.

Figure 7 : Dessin du profil de l'arbre du papillon

Ensuite, on va recommencer les mêmes actions de manière à créer une la zone d’Overset à l'aide de l'outil Create line. En fait, on n’a pas une règle pour créer la région overset, il peut avoir quelque taille et forme, pourvu qu’il comprendre tout le papillon.

Figure 8 : Dessin de la région Overset

Maintenant, nous devrons transformer tous les dessins en solides. On commence par le demi-profil du papillon. Clic droit sur le Sketch du papillon, choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None.

Comme on veut un Body avec l’arbre de rotation et le papillon ensemble, on suive : Clic droit sur le Sketch de l’arbre de rotation, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Symmetric, Distance -> 0.023 m, body interaction -> Merge. On a maintenant un corps Body 2 avec les deux solides ensembles.

Pour les dessins du boîtier (l’entrée, centre et sortie) et de l’overset, on va suivre les mêmes pas de révolution du papillon : Clic droit sur le Sketch de l’overset ou du boîtier (soit le centre, l’entrée ou la sortie), choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None. On doit avoir la figure suivante :

Figure 9 : Géométrie solide après les revolutions

Pour finir notre création de la géométrie, on va renommer les faces du boîtier et de l'Overset. On doit mettre Inlet pour la frontière amont, Paroi pour les parois du boîtier (les trois) et Outlet pour le frontière aval. On doit aussi renommer tous les faces de l’overset comme Overset.

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Géométrie utilisé

Cette géométrie a été créé parce que :

  • La technologie d’overset augmente énormément la quantité de cellules de notre maillage. Ce problème est abordé à la conclusion de ce rapport ;
  • Elle permet de couper longitudinalement le maillage final en deux, que nous permet de diminuer encore plus la quantité finale de cellules ;

Après quelques réunions partielles avec Synerject, nous avons fait une altération au papillon, un angle de 6° en haut et en bas a été créé. Etant donné aussi que nous avons des résultats expérimentales juste pour les angles plus petites que 11°, on a créé une géométrie pour traiter le cas de 10 °. Pour diminuer encore plus la quantité de mailles, la région centrale du boîtier a été réduite à 0.014 m au lieu de 0.03 m.

Après avoir créé une nouvelle simulation dans StarCCM+, on va éditer la géométrie dans Geometry > 3D-CAD Models clic droit -> New. Vous arrivez dans un nouvel onglet dans lequel vous allez faire clic droit sur XY et create sketch.

Nous allons commencer par créer le centre, que doit être fait avec un rectangle, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.014 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 10:Dessin du demi-profil du centre du boîtier

Puis, l’entrée doit être crée avec un rectangle aussi, avec l’aide de l’outil Create line. Comme hauteur de ce rectangle on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.05 m, comme on peut voir sur la figure suivante :

Figure 11 : Dessin du demi-profil de l'entrée du boîtier

Enfin la sortie, doit être crée de la même façon. Comme hauteur on va mettre 0.0220085 m, et une base de 0.135 m. L’arbre de rotation du papillon doit être crée de la même façon que le dernière tutoriel. Pour créer le profil du papillon, clic droit sur YZ et create sketch. On va utiliser l'outil create circle : créer le profil tel que le centre se situe aux coordonnées (0, 0, 0) et le rayon de 0.02195 m. comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 12 : Dessin du profil du papillon

Maintenant, on va créer deux géométries auxiliaires. La première est utilisé pour couper le papillon, afin de que la région extérieure puisse être plus raffiné que l’intérieur. Vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. On va utiliser l'outil create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.005, 0.015, 0) et finisse à (0.005, 0.015, 0), donc l’épaisseur de 0.01 m et hauteur de 0.015 m. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que la hauteur de notre rectangle auxiliaire soit de 0.0069 m, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 13 : Dessin du demi-profil du Shape auxiliaire

La deuxième sera utilisée comme une Shape, afin de que le maillage dans cette shape puisse être plus raffiné que les autres. Vous allez faire clic droit sur XY et create sketch. On va utiliser l'outil create line : créer le profil tel que le début de sa base se situe aux coordonnées (-0.003, 0.021, 0) et finisse à (0.003, 0.021, 0), donc l’épaisseur de 0.006 m et hauteur de 0.0.021 m. Puis on continue à dessiner notre rectangle, telle que la hauteur de notre rectangle auxiliaire soit de 0.009 m, comme on peut voir dans la figure suivante.

Figure 14 : Dessin du demi-profil du Shape auxiliaire

Maintenant, nous devrons transformer tous les dessins en solides. On commence par le profil du papillon. Clic droit sur le Sketch du papillon, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Specific, Distance -> 0.001 m, body interaction -> None. Pour la direction de la extrusion, il faut choisir X : 0.105, Y : 0.0 et Z : 1.0. Le vecteur va créer une extrusion avec l’angle spécifie par Synerject.

Comme on veut un Body avec l’arbre de rotation et le papillon ensemble, on suive : Clic droit sur le Sketch de l’arbre de rotation, choisir Extrude et après : Body type -> solide, Direction -> Symmetric, Distance -> 0.023 m, body interaction -> Merge. On a maintenant un corps Body 2 avec les deux solides ensembles.

Pour les dessins du boîtier (l’entrée, centre et sortie) et des régions auxiliaires, on clic droit sur le Sketch du boîtier (soit le centre, l’entrée ou la sortie) ou des régions auxiliaires, choisir Revolve et après : Body type -> solide, Angle -> 360 deg, body interaction -> None.

Pour meilleur comprendre les prochaines manipulations de la géométrie, on va renommer les Bodys : Body2 -> Valve, Body3 -> Enter, Body4 -> Center, Body5-> Exit, Body6 -> Shape Valve, Body7-> Shape Aux.

Tout d’abord on va tourner le papillon en 10 degrés. Pour ce faire on multi-sélectionne Valve, Shape Valve et Shape Aux, clic droit et Transform -> Rotate -> Angle 16 deg. On doit tourner 16 degrés parce que sont les 10° désirés plus 6° de repos. Après, on suive les pas suivantes :

·         Valve clic droit Duplicate;

·         Multi-sélectionne Valve 2 et Shape Valve. Clic droite Transform -> Substract ;

·         Renommer nouveau Body : Valve_Int ;

·         Multi-sélectionne Valve et Valve_Int. Clic droite Transform -> Substract ;

·         Renommer nouveau Body : Valve_Ext ;

·         Delete corps en plus ;

On verra la figure suivante :

Figure 15 : Les modifications de la géométrie

Pour finir notre création de la géométrie, on va renommer les faces du boîtier, de l'Overset et le papillon. On doit mettre Inlet pour la frontière amont, Paroi pour les parois du boîtier (les trois) et Outlet pour le frontière aval. Ensuite, on renomme tous les faces de l’overset comme Overset, et les faces du papillon comme Valve_int ou Valve_ext.

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