Simuler un écoulement avec Star CCM+

Comment utiliser Star CCM+ ?

 

Dans cette partie, nous expliquons la réalisation d'une simulation d'un écoulement en utilisant le logiciel Star CCM+.

Il faut tout d'abord lancer le logiciel Star CCM+.Lorsque le logiciel est ouvert, il faut ouvrir une nouvelle simulation: onglet 'New', sélectionner 'serial' et cliquer sur 'Open'.

Nous allons maintenant créer une simulation. La première étape est de créer le domaine de calcul. On peut soit utiliser les modules géométrie et mesh de Star CCM+, ou importer un maillage au format msh. Ayant préalablement créé la géométrie sous Salome, nous allons choisir la deuxième solution.

Pour importer un maillage, choisir 'File' --> 'Import' --> 'Import Volume Mesh', puis sélectioner le maillage voulu au format msh. Le domaine s'affiche sur la gauche.

Nous allons maintenant définir les paramètres de la simulation. Commençons par développer le menu 'Physics' (Continua) en cliquant sur la petite clé à gauche. Ensuite, faire un clic droit sur 'Models' puis sélectionner les modèles voulus. Dans notre cas, nous allons cocher:

'Three dimensional' 'Implicit Unsteady' 'Multiphase Mixture' 'Volume of fluid (VOF)' 'Laminar'

Après les modèles, nous allons créer deux phases car nous avons un écoulement diphasique, la colle et l'air. On développe le menu 'Eulerian Multiphase', puis avec un clic droit sur 'Eulerian phase' on choisit 'New phase' pour créer 2 phases. On les renomme pour éviter de les confondre (clic droit 'rename').

On définit un modèle pour chacune des phases en développant le sous-menu d'une phase puis en réalisant un clic droit sur 'Models'. Pour l'air, on sélectionne: 'Gas' et 'Constant density'; et pour la colle: 'Liquid' et 'Constant density'.

Le modèle par défaut pour un gaz est l'air donc nous n'avons pas besoin de changer ses caractéristiques. Par contre, pour un liquide le modèle par défaut est l'eau, il faut donc changer les paramètres de viscosité dynamique et de masse volumique. Développez 'Liquid','H2O' et changez les paramètres. Nous prendrons $980 kg.m^{-1}$ pour la masse volumique et $1 Pa.s$ pour la viscosité dynamique.

Nous allons maintenant définir les conditions initiales du problème, dans 'Continua' ,'Physics' choisissez 'Initial conditions', clic droit: 'Edit'. Pour notre problème, nous prendrons une pression initiale de $2.97 bar$, une vitesse initiale nulle et $ [1.0 0.0] $ pour Volume fraction, c'est à dire qu'il n'y a que de l'air dans le domaine.

L'étape suivante consiste à imposer les conditions aux limites aux faces. Pour cela, on développe l'onglet 'Regions'. Si les faces ne sont pas différenciées, la fonction 'split by angle' est très utile (clic droit sur la face): elle permet de séparer les faces qui forment un certain angle.

Pour définir une condition limite sur une face, on sélectionne la face et on choisit le type de condition que l'on désire avec l'onglet déroulant dans 'Properties'. Dans notre simulation, nous allons choisir 'Mass Flow-Inlet' pour imposer un débit massique d'entrée de la colle à $2.10{-4}kg.s^{-1}$. Comme nous injectons que de la colle, nous allons fixer Volume fraction à $[0.0 1.0]$. Pour les conditions de sortie, nous allons imposer une pression de $2.97 bar$ sur deux faces avec 'Pressure Outlet'.

L'étape suivante consiste à définir le pas de temps pour le calcul. Plus il est petit, plus le calcul est précis mais plus il est chronophage. Il faut choisir un pas de temps adapté à ce que l'on recherche. Nous prendrons un pas de temps de 0.1s et une discrétisation temporelle du second ordre pour plus de précision.

A partir de maintenant la simulation est prête à être lancée. Toutefois, nous allons devoir configurer la visualisation de la solution pour voir quelquechose. La première étape est de créer une Scène sur laquelle on va afficher une grandeur de la simulation. Nous allons par exemple regarder un scalaire: la fraction volumique d'air. On fait un clic droit sur 'Scenes' puis on choisit 'scalar'.

On choisit ensuite  le scalaire que l'on souhaite visualiser avec <Select Function>.

Le domaine étant en trois dimensions, il est difficile de voir ce qu'il se passe à l'intérieur. C'est pourquoi nous allons créer une surface plane à l'intérieur du domaine sur laquelle on visualisera la solution. Avec un clic droit sur 'Derived part', on choisit 'New Part' --> 'Section' --> 'Plane'.

On choisit le vecteur directeur et un point d'origine par lequel passera la surface.

Lorsque ce plan est créer, nous allons le visualiser sur notre Scalar scene. On développe 'Scene' puis 'Scalar scene 1' et avec un clic droit sur 'Part' qui est dans la partie Scalar1, on sélectionne 'Edit'. Enfin, on vient cocher la case 'Derived part' et 'plane section'.

On peut maintenant lancer la simulation. Pour lancer une simulation, il faut d'abord l'initialiser avec le petit drapeau vert. Ensuite, on lance les calculs avec les petits bonshommes qui courent. Le premier fait une étape et s'arrête alors le second fait tourner la simulation jusqu'à ce que l'on arrête le calcul avec le bouton rouge.

Voilà, votre simulation est en cours. Avant d'en lancer une autre, assurez-vous de nettoyer l'ancienne solution avec la gomme.