1- Tutoriel Starccm+

II.1 Tutoriel Starccm+

 

Le but de ce tutoriel est de pouvoir créer sous Starccm+ un modèle d'injection de fluide. Ceci doit nous permettre de visualiser des structures tourbillonnaires qui se forment en sortie d'un piston. Les différentes étapes du modèles sont:

  • La compression du fluide dans le piston
  • La sortie du fluide initialement dans le piston, dans un autre fluide (relation de continuité)
  • Apparition de structures tourbillonnaires dans la zone de sortie de piston (raffinement du mailage).

 

1- Création de la géométrie :

La géométrie est assez simple à réaliser. Il faut la décomposer en deux parties: le piston (à gauche) et la cuve (à droite). Pour cela : 3D-CAD Model > Features > XY > Create New Sketch
Créez alors 2 sketch comme sur la figure suivante. Attention les deux sketchs sont superposés!

Ensuite, il faut extruder, c'est-à-dire créer les volumes. Pour chaque sketch on créé un extrude. On prend une profondeur très petite (environ 0.01m) afin de gagner en temps lors de la création du maillage 3D. En effet, notre étude se fait principalement en 2D. Dans les deux cas, choisir None pour Body Interaction. Cette option permet la création d'une interface lorsqu'on assignera les parties.

Maintenant, nous allons nous occuper de la partie commune aux deux body. Cette partie appartient au piston. Nous allons donc la retirer de l'extrude de la cuve.

Avant cela, dupliquez le body correspondant au piston et le renommer.

Ensuite, toujours dans le menu 3D-CAD Model, sélectionnez les 2 extrudes qui se superposent dans l'onglet Body. Puis, Clic droit > Boolean > Subtract.

Attention! Il faut affecter l'opération résultante au body correspondant à la cuve.
Cette manipulation permettra de mieux gérer l'interface piston-cuve par la suite. Nous avons donc maintenant deux extrudes caractérisant chacun un des éléments du système, comme le montre l'image suivante:

Ensuite, on reprend le cheminement classique de la création d'une géométrie. Nommer toutes les faces des différentes parties du système (piston_up, cuve_axis,...). C'est très important.

Une fois cela fait, sortir de 3D-CAD Model et pour chaque Body cliquez sur New Geometry Parts.

Dans l'onglet Parts, on voit maintenant apparaître les deux Body 1 et 2 :

 

 

L'interface est alors reconnue entre les deux éléments. La partie Default correspond à la sortie du piston et la partie piston_up est l'extrémité supérieure du piston.

Sélectionnez les 2 Pars et cliquez sur Assign Part to Regions (choisir One Boundary per part surface dans l'onglet Boundary Conditions ) puis Create regions tout en s'assurant que la case Create interfaces from contacts est cochée.

Enfin dans l'onglet Régions, réglez les conditions de chaque faces.

 

 

Les parois sont des walls sauf celles qui n'ont pas d'intérêt en 2D pour lesquelles on pose la condition Symmetry plane.

Pour créer l'interface, sélectionnez les deux Boundaries Default > Create Interface > In Plane. Un onglet Interface est alors créé en-dessous, sélectionnez Internal Interfaces dans Type. On règle ainsi la condition d'interface (on peut choisir un milieu poreux, un mur,...)

 

2- Création du maillage :

Nous allons maintenant créer des maillages différents pour chaque élément. Pour cela, créez deux mesh (> Continua > New > Mesh Continuum), et ensuite attribuez à chaque région un mesh ( par exemple: Regions > Cuve > Edit > Mesh Continuum > Mesh1 ).

Dans les deux cas, on choisit les options suivantes: Mesh Remesher et Trimmer.

  • Pour la cuve:

Base size : Valeur de référence pour le mailleur. On peut prendre la largeur de la cuve. Prendre 0.6.

Relative minimum size : C'est la taille minimale des cellules (en pourcentage de la taille de référence). Choisir 2.

Relative target size : C'est la taille des cellules (toujours en pourcentage de la taille de référence). Choisir 5.

  • Pour le piston:

Choisir l'option Prism Layer Mesher pour raffiner le maillage proche paroi.

Number of prism layer : C'est le nombre de cellule que l'on veut dans la zone raffinée lorsqu'on sélectionne l'option "Prism Layer Mesher".

Prism layer stretching : C'est le coefficient d'élargissement des cellules à partir de la zone de raffinement.

Relative size: Pourcentage de la hauteur dans la couche limite qui sera affectée par des cellules plus fines. Prendre 5

Un premier maillage assez grossier est ainsi obtenu:

On constate que l'interface ne va pas être du tout étudiée de manière optimale, au vue de la taille des cellules dans la cuve. Cette taille est suffisante pour la partie droite de la cuve où rien ne se passe, mais il faudrait raffiner la maillage de la cuve proche de la sortie du piston.

En effet, nous nous attendons à y observer les structures tourbillonnaires.

Nous allons donc créer une zone de maillage plus resserrée à cet endroit, on appelle cette zone un block. Pour cela: Tools > Volume Shape > New Shape > Block

Sélectionnez une zone de manière judicieuse, comme ci-dessus. Nous allons choisir d'y doubler le nombre de cellules. Il faut régler cela dans les propriétés du Mesh_cuve.

> Mesh_cuve Volumetric Controls > New > Shape > Block1

Dans les options, cochez Customize Surface Remesher ainsi que Customize Isotropic Size.

Ensuite dans Mesh Value > Custom Size > Absolute Size > 0.002 (1/10 du rayon choisit dans l'exemple)

On obtient ainsi une zone très raffinée en sortie de piston. On peut choisir tout type de forme de block ainsi que tout type de maillage, tout dépend des propriétés du mesh de la cuve.

Il nous reste maintenant à modéliser la compression du piston et l'injection du fluide dans la cuve. Pour cela Convert to 2D...

 

3- Modélisation de l'injection :

Pour simuler le déplacement du piston nous utilisons la fonction Morphing.

Tools > Motion > New > Morphing (Sélectionnez Motionwise pour Morphing Order).

Puis dans Regions > Region1_Piston > Physics Values > Motion Specification > Motion > Morphing.

Nous devons régler deux boundaries, le piston_inlet et le piston_up car ce sont les deux qui vont être modifié lors de la compression du piston.

Piston_inlet > Physics Conditions > Morpher > Displacement et choisir une valeur 1e-4.

Attention, la vitesse s'exprime en mètres par pas de temps. Cette valeur dépend donc du choix du pas de temps et de la vitesse de notre piston. Nous avons choisis un pas de temps valant 1e-3 et une vitesse de piston valant 0.1 m/s.

Piston_up > Physics Conditions > Morpher > In Plane. Ce réglage permet à la paroi supérieure du piston de se déplacer avec le bout du piston.

Il ne reste plus qu'à lancer la simulation.

On voit bien que le maillage se comprime dans le piston. Il apparaît quelques problèmes. Tout d'abord il faut gérer l'arrêt du piston (pour faire varier la course) en fonction de l'établissement de l'écoulement à l'intérieur de celui-ci. Il faut aussi prendre en compte la déformation à la fin du piston. En effet, si on laisse le piston se comprimer totalement, un message d'erreur va apparaître. Pour palier à ce défaut, il faut utiliser un "maillage dans un maillage", qui va prendre en compte cette compression. Ceci prend beaucoup de temps à maîtriser. Pour les simulations de notre projet nous avons arrêté le piston avant la butée.

Il reste donc à régler les paramètres physiques de l'écoulement. Pour un fluide Newtonien, nous obtenons ce genre de résultat :

 

Il est important de noter tout d'abord que la zone de recirculation en haut à gauche de la cuve correspond en fait à des effets de bord. En effet, la hauteur de la cuve est, dans cet exemple, trop petite en comparaison au rayon du piston. Dans l'expérience réelle, on peut considérer toutes les dimensions de la cuve comme "infinies".

Le résultat obtenu est cependant cohérent pour la partie "axe" de la cuve. Étant donné la compressibilité du fluide (de l'eau), il est normal de voir une petite zone de fluide plus rapide (zone rouge) à la sortie du piston et le long de la paroi. Le fluide est poussé hors du piston.

Ces structures tourbillonnaires traduisent une vorticité du phénomène. Il sera donc intéressant d'étudier cette grandeur afin d'évaluer le rayon des tourbillons.

 

 

On observe sur la figure de gauche un tourbillon dû à la vorticité.