Cette simulation est inspirée de la vidéo « 90ft Vertical Spike Wave in Slow Mo » réalisée par The Slow Mo Guys, et qui montre les résultats d’une expérience menée par l’Etablissement de recherche en énergie océanique FloWave. Nous utilisons des parties de leur vidéo afin de les comparer avec notre propre simulation. https://www.youtube.com/watch?v=iWKFPTgkpXo&t=105s La Vague Verticale en forme de Pic La Vague Verticale en forme de Pic fait suite au mouvement d’une vague concentrique vers son centre. En fonction de sa vitesse, la vague peut entrer en collision au milieu et former un pic d’eau. Cette vague peut être générée dans une piscine circulaire équipée de panneaux mobiles sur l’intégralité de son contour qui poussent l’eau en un mouvement coordonné vers le centre. Les panneaux doivent être activés en simultané en un même mouvement afin de pouvoir déplacer l’eau en un seul mouvement et la faire entrer en collision à la même vitesse et avec la même énergie. Si la vitesse est suffisamment haute, l’eau va s’élever au milieu de la piscine [Figure 1] et retomber en éclaboussant. Figure 1 - Vague verticale en forme de pic Paramétrage du modèle sur FLOW-3D® Le logiciel FLOW-3D a été utilisé pour paramétrer la simulation de la vague verticale en forme de pic, puis le résultat a été post-traité avec le logiciel FlowSight. Afin de pouvoir modéliser facilement la vague circulaire, la mesh a été définie selon des coordonnées cylindriques. Cela nous a permis notamment de ne simuler qu’une partie de la piscine [Figure 2], puis de la dupliquer lors du poste-traitement sur Flow Sight afin de donner l’impression que la piscine avait été simulée en entier. Figure 2 - Setup FLOW-3D La plupart des mesures étaient données dans la vidéo des Slow Mo Guys, donc il a été possible de faire la simulation correctement à l’échelle. La piscine fait environ 50m de long, et est équipée de 168 panneaux. Nous avons estimé qu’il fallait 4s aux panneaux pour faire un aller-retour avec un angle de 17.2°. Pour configurer la simulation, nous avons créé la piscine directement sur FLOW-3D en utilisant les géométries de base proposées par le logiciel, puis nous avons importé le panneau sous forme de fichier STL. Le panneau a été défini comme un objet mouvant [Figure 3], auquel il a été appliqué un mouvement défini à l’avance. L’eau est immobile à l’origine, et un mouvement des panneaux est suffisant pour générer la vague. Figure 3 - Panneaux poussant l'eau Résultats Le mouvement et l’énergie globaux du système correspondent à la réalité de manière assez précise. On peut apercevoir des différences au niveau de l’extrémité du pic : cependant l’effet est négligeable dans le cadre de notre comparaison, et serait facilement pris en compte dans une simulation complète en 3D avec un modèle physique à deux fluides. Figure 4 - L'expérience et la simulation côte à côte … [Read more...]
Optimiser la conception pour la production de masse
Introduction La phase de développement d'un produit implique différentes phases de calcul et de conception qui fournissent une série d'étapes prédéfinies pour atteindre la phase de production en série. Au vu de cet objectif, compte tenu du nombre élevé de pièces à produire, toute économie de matière est avantageuse et pertinente d'un point de vue économique. Les parties impliquées dans la production ont besoin de réduire les déchets (avantageux pour la fonderie) et de réduire le poids des composants (avantageux pour le client final). Le processus d'optimisation de la forme du produit aide les deux parties (fonderie et client) à trouver les bons compromis afin de pouvoir faire des économies adéquates tout en conservant des pièces de qualité maximale. Dans cet article, nous montrerons le processus d'optimisation de la conception pour la production en série d'un produit de fonderie en utilisant un logiciel d'optimisation et un simulateur de processus. L'objectif est d'analyser la solidification du métal présent dans le système dont il est question, et d'évaluer comment l'optimisation permet aux deux parties impliquées d'en tirer profit. Développement du projet Figure 1 - Composant à produire Le composant à optimiser dans cette étude est réalisé par une coulée de métal en sable, l'une des techniques les plus anciennes, simples et économiques. La phase de conception préliminaire a fourni un prototype en format stéréolithographique (STL) déjà potentiellement bon pour la production (le modèle a été fourni en nature avec l'autorisation de Flow Science Deutschland). Sur l'image [Figure 1], vous pouvez voir le système d'alimentation du système (en jaune) et la géométrie de la pièce à produire (en rouge). La masse de la pièce unique de cette configuration de départ est de 2.197kg, celui de l'ensemble du système est de 3.126kg. L'objectif principal est d'obtenir, en agissant sur certains détails des géométries elles-mêmes, une masse totale du système aussi faible que possible sans avoir de porosité significative dans la pièce. Afin d'obtenir le meilleur résultat possible, les paramètres désignés comme modifiables sont la taille du système d’alimentation [Figure 2], l'épaisseur de la paroi verticale la plus proche de ce dernier et l'épaisseur de la zone de transition entre les deux parois [Figure 3]. Figure 1 - Premier paramètre d'optimisation Figure 3 - Deuxième et troisème paramètres d'optimisation Les variables en jeu sont donc potentiellement multiples, et explorer manuellement toutes les combinaisons possibles peut être un travail très long et complexe. C’est pour cette raison que nous avons choisi d'utiliser un optimiseur numérique capable d'explorer les solutions de manière indépendante. IMPROVEit a donc été choisi. Son interface simple vous permet d'effectuer facilement à la fois la phase d’initialisation et le traitement des résultats. FLOW-3D® CAST a été également choisi comme simulateur de procédé pour sa précision, sa fiabilité et sa facilité d'utilisation en fonderie. En ce qui concerne la modification de la forme géométrique, le logiciel d'optimisation permet à la fois d’interagir directement avec la CAO paramétrique si le fichier est en format original, ou de modifier directement dans IMPROVEit un fichier STL si, comme c’est le cas dans ce test, seul ce dernier est disponible. Une fois les paramètres à corriger sélectionnés, le logiciel peut modifier en interne la forme des géométries, lancer les simulations de solidification en interaction avec le logiciel de traitement FLOW-3D® CAST en utilisant les géométries modifiées, extraire les résultats des analyses et les traiter avec les nœuds mathématiques appropriés pour obtenir le résultat optimisé. La [figure 4] montre la feuille de travail de notre étude de cas. Figure 4 - Réseau d'optimisation Afin de détecter la dimension de la porosité de retrait présente à la fin de la simulation de la solidification, quatre volumes de contrôle divisant la géométrie en quatre zones distinctes ont été mis en place ([Figure 5]), la partie supérieure est en bleu foncé, la partie centrale en jaune, la partie gauche en cyan et la partie droite en magenta. Parmi celles-ci, seules trois sont pertinentes pour l'optimisation, d’après les exigences du client : la porosité présente dans la partie supérieure (bleu foncé) n'a pas été prise en compte. Dans la configuration initiale, le volume total de porosité de retrait dans les trois volumes de contrôle considérés est de 581 mm3. Figure 5 - Volumes de contrôle Exécution Pour les besoins du processus d’optimisation, deux objectifs et une contrainte ont été désignés : minimiser le poids du système d’alimentation ainsi que celui du poids de la pièce, tout en faisant en sorte que les défauts de la pièce ne soient pas visibles, ce qui représente une contrainte sur le volume de porosité dans les trois volumes de contrôle. La mise en place d'une optimisation avec deux … [Read more...]
Augmentation de la Capacité de Déversement avec le Déversoir en Clef de Piano
Caractéristiques du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir – ou Déversoir en Clef de Piano – est un modèle particulier d'évacuateur en labyrinthe. Il est composé d’une alternance de surfaces inclinées, l’une dans le sens d’écoulement de l’eau, l’autre dans le sens opposé à l’écoulement. Chacune de ces pentes est séparée par un mur vertical suivant la géométrie. Vu d’en haut, il s’agit d’un rectangle découpé en sections de taille égales dans le sens de la largeur. Pour chacune des sections, l’un des côtés perpendiculaires au courant est abaissé, créant une pente sur laquelle l’eau peut couler ou s’accumuler, en fonction du côté sur lequel est abaissé la section. Cette structure surmonte une sorte de muret de hauteur variable. Le Piano Key Weir est généralement utilisé en sortie de barrage, l’idée étant de disposer d’une construction qui soit suffisamment solide pour résister à la pression créée par une quantité élevée d’eau dans un réservoir ou une rivière en période de crue, qui permette d’évacuer le trop-plein d’eau, et qui soit suffisamment simple pour ne pas être trop couteuse. Utilité du Déversoir en Clef de Piano Le Piano Key Weir est donc un déversoir à écoulement libre. Du fait de sa géométrie, il est possible de faire augmenter sa capacité d’évacuation de manière significative. Les études menés sur ce type de déversoir ont deux objectifs : construire des déversoirs solides et peu couteux pour la suite, mais aussi renforcer les structures plus anciennes, ce qui permet notamment d’éviter les accidents. En effet, en les plaçant en aval de barrage et en amont des villes, ils permettent de contrôler le débit d’eau, et donc d’éviter les inondations. Le Piano Key Weir rend possible la décharge importante et contrôlée d’une quantité soudaine et très élevée d’eau. Ce type de déversoir présente plusieurs qualités primordiales. Tout d’abord, il est facilement installable sur des constructions déjà existantes, contrairement aux déversoirs en labyrinthe classiques. De plus, sa forme alternant les pentes montantes et descendantes permet de créer deux flux différents selon que l’eau arrive sur l’une ou l’autres des pentes. Lorsque l’eau passe dévale la pente descendante, elle coule sous forme de jet vers le bas du barrage, et lorsqu’elle est d’abord contenue par la pente ascendante, elle s’écoule sous forme de film avant de rejoindre le jet un peu plus bas. Cette division des flux permet de ralentir considérablement le débit d’eau, de manière beaucoup plus efficace qu’un barrage droit traditionnel pourrait le faire. Résultats de la simulation Afin d’observer les effets du Déversoir en Clef de Piano, nous avons effectué une simulation numérique avec le logiciel FLOW-3D® en en plaçant un dans un cours d’eau. Nous sommes restés sur un model setup classique, étant donné qu’il a été montré que c’était celui qui permettait d’obtenir les résultats les plus proches de la réalité. On observe bien l’écoulement caractéristique de l’eau sur les “touches” du piano, et la diminution du débit après le passage sur le déversoir. On observe une différence de seulement 2% à 4% entre les résultats expérimentaux et la simulation avec FLOW-3D en moyenne. Seule la résolution de la mesh est un facteur déterminant en ce qui concerne l’exactitude de la simulation, mais celle-ci n’a qu’une influence de 3-4% maximum, ce qui signifie que dans tous les cas les résultats ne montent, au plus, qu’à 6% d’erreur. … [Read more...]
Optimisation de la forme d’une toilette
La conception d'articles sanitaires ne suit pas seulement des critères esthétiques, mais doit également être soumise à une réglementation stricte qui en régit le bon fonctionnement. Parmi ceux-ci, un appareil sanitaire doit garantir un bon et efficace nettoyage des surfaces internes, en s'assurant que lors de l'évacuation de l'eau, la majeure partie de la saleté est correctement éliminée. Cette étude a pour but d'analyser les formes alternatives possibles pour l'entrée de l'eau et la toilette lui-même, qui maximisent la surface de l'intérieur de l'appareil sanitaire mouillé par l'eau. Les variables impliquées sont potentiellement multiples et interconnectées : l'exploration manuelle de toutes les valeurs possibles peut être un travail très long et complexe, ainsi que la compréhension des effets sur l'objectif fixé. Pour cette raison, nous avons choisi d'utiliser un logiciel d'optimisation qui répond à ce besoin : l'interfaçage avec les logiciels les plus disparates vous permet d'automatiser le travail, d'analyser l'influence de multiples paramètres et de comprendre le lien entre eux et la performance que vous souhaitez améliorer. Le logiciel choisi est IMPROVEit, qui grâce à son interface simple vous permet d'effectuer facilement à la fois la phase d'installation et le traitement des résultats. https://www.youtube.com/watch?v=7KoQHw1VQfk&feature=youtu.be Le logiciel est capable de modifier en interne la forme des géométries STL sur la base de paramètres définis par l'utilisateur, de lancer des simulations dynamiques de fluides en interface avec le logiciel CFD FLOW-3D® en utilisant les géométries modifiées, d'extraire les résultats du logiciel et de les traiter avec les nœuds mathématiques appropriés ou en invoquant Excel pour obtenir la quantité à optimiser. FLOW-3D® a été choisi pour ses excellentes capacités de vitesse et de précision dans le calcul des débits transitoires et en zone libre. Trois paramètres géométriques ont été choisis pour varier, afin de ne pas trop compliquer le problème : la direction de l'entrée, la section de sortie de l'entrée et la pente de la partie avant du sanitaire, jouant avec la courbure présente ici. L'optimisation peut certainement être compliquée avec plus de temps disponible. L'objectif est de maximiser la surface mouillée de l'intérieur de l'appareil sanitaire, calculée comme l'intégrale de la surface couverte par le liquide pendant tout le temps de décharge divisé par le temps de décharge lui-même. En outre, il a été imposé la contrainte que l'eau ne doit pas s'échapper de la partie supérieure des sanitaires, même en petites quantités, pour éliminer les solutions qui, en lavant la surface, provoquent des éclaboussures indésirables. La simulation de la dynamique des fluides a été mise en place en initialisant l'eau dans le réservoir en amont du sanitaire et en définissant comme conditions limites la sortie du tuyau d'échappement et la pression atmosphérique de l'air. Ainsi, le flux d'eau peut entrer librement et naturellement dans les sanitaires. La simulation s'arrête lorsque le bac est complètement vide. IMPROVEit a l'avantage de ne pas nécessiter de connaissances dans le domaine de l'optimisation pour être utilisé, car il est capable de choisir indépendamment la meilleure stratégie pour atteindre l'objectif. Il vous suffit de définir un budget, c'est-à-dire le temps que vous souhaitez consacrer à l'optimisation, car la stratégie que vous choisissez est de nature à rechercher les solutions optimales vers la fin de cette période. Comme chaque cycle de calcul (variation géométrique, simulation de la dynamique des fluides et traitement des résultats) dure environ 40 minutes, un budget de 25 cycles a été choisi, de manière à obtenir le résultat en un peu plus d'une journée. Considérant qu'il y a 3 variables en jeu et que le problème est de nature complexe, il peut être considéré comme un cas plutôt difficile pour le logiciel d'optimisation. Néanmoins, IMPROVEit a déjà été en mesure d'offrir des solutions qui augmentent la surface de la toilette mouillée par l'eau jusqu'à 35%. De plus, en analysant le panorama des solutions trouvées, il est possible de mieux comprendre l'influence des différents facteurs. En fait, on peut voir que les diamètres de sortie plus larges sont les meilleures parce qu'ils permettent une fuite de masse plus importante dans l'unité de temps, malgré une réduction de l'étranglement qui conduit à des vitesses plus élevées. La direction de l'entrée qui donne les meilleurs résultats, en outre, est alignée sur le plan horizontal, tandis que la forme des sanitaires a des effets plus variés, sans mettre en évidence une tendance aussi claire. … [Read more...]
Simulation d’une turbine Pelton – du transitoire de démarrage à l’état du régime
Les turbines Pelton (ou roue Pelton) sont les turbines les plus utilisées dans le monde pour la production d'électricité dans les centrales hydroélectriques, en raison de leur haut rendement. Son design date de 1870 mais, avec quelques modifications, il reste le premier choix des nouvelles centrales électriques. Dans une turbine Pelton, l'énergie est extraite de l'énergie cinétique de l'eau, contrairement à d'autres types de turbines où la pression hydrostatique est utilisée : l'eau, provenant d'un bassin supérieur, est accélérée et éjectée contre les aubes de la roue Pelton. La géométrie de la palette est conçue pour absorber autant que possible l'énergie cinétique du fluide et commencer à tourner. La vitesse de rotation de la turbine est ensuite convertie en énergie électrique par une bobine conductrice. La simulation analyse le transitoire initial de la turbine, où l'eau à plus de 100 m/s impacte la pale de la roue Pelton fournissant couple et accélération angulaire. https://www.youtube.com/watch?v=lb2xEbHmWKw Toutes les géométries et les données utilisées dans la simulation sont réalistes et cohérentes avec le phénomène réel : la géométrie de la roue a une forme et des propriétés de masse réelles, le fluide est l'eau avec une vitesse raisonnable et la buse contient une valve doble, utilisée dans les turbines réelles pour ajuster le débit d'eau. Intéressant est le graphique de la vitesse angulaire de la roue. Pour les turbines Pelton, on sait que le rendement maximal est atteint lorsque la vitesse périphérique de la roue atteint environ la moitié de la vitesse de l'eau à la buse. Pour ce faire, une sonde a été placée au centre de la buse afin de surveiller la vitesse du fluide, tandis qu'une autre sonde a été fixée à une pale de roue afin de capter la vitesse périphérique. Les deux grandeurs peuvent être affichées directement en sortie de la simulation. Les vidéos utilisent largement les fonctionnalités de Flowsight : transparence basée sur la valeur des variables, caméra mobile, réglage fin de la lumière et des reflets, visualisation multi-tracés et multi-vues. https://youtu.be/TddbeL1lK9I … [Read more...]
