L’étude du Computational Fluid Dynamics (CFD) a pour vocation d’analyser les écoulements liquides et gazeux d’un bâtiment industriel. Le but de l’étude CFD est de parvenir à visualiser les performances possibles réalisables. Pour y parvenir, il réalise une simulation numérique de l’écoulement des fluides. Cet outil d’ingénierie élabore un calcul de dynamique pour étudier les mouvements et les effets des réactions chimiques. Les données géométriques et des systèmes fournies par la modélisation CFD facilitent le travail de l’ingénieur. Effectivement, cela lui permet de tester et de choisir les équipements aérauliques les mieux adaptés en termes de performance. Aujourd’hui cet outil du numérique entre progressivement dans le domaine du bâtiment. Il n’ étaitréservé jusqu’alors qu’aux domaines de l’aéronautique et de l’automobile.

L’étude CFD dans le secteur industriel pour exploiter un seuil de production maximal

L’étude de la Dynamique des Fluides Numériques permet de tester les limites de la pression des liquides dans les canalisations. Elle permet également de déterminer les températures maximales pouvant être atteintes. De fait, en maîtrisant les flux des systèmes, on peut définir le seuil de rentabilité maximal d’une usine. L’étude CFD est donc utile en termes de production pour les industriels. En comparaison des expériences habituelles sur des usines déjà montées, le gain de temps et d’argent est significatif. Effectivement, à l’aide de cette maquette numérique on évite tous les tests et ajustements en réel. Cela permet notamment d’éviter de mettre les machines à l’arrêt le temps des travaux. La chaîne de production n’est ainsi jamais arrêtée et cela a nécessairement un impact positif sur le rendement.

La mécanique des fluides assistée par ordinateur pour réaliser des expériences plus complexes

 

Certaines expériences dans les usines sont extrêmement difficiles à réaliser. La raison de cela est la complexité des éléments et des phénomènes en présence. Par exemple, il est très difficile de faire des expériences sur :

• Les turbulences
• Les écoulements multiphasiques

C’est pourquoi l’étude CFD est un atout significatif dans le domaine industriel. En effet, elle va pouvoir produire des expériences chimiques sans risques. La notion de contrôle et de sécurité devient alors simplifiée. Et par conséquent, l’étude de la dynamique des fluides numériques permet de réduire le nombre d’essais en laboratoire.

 

Les mailles de la maquette sont de petits volumes très nombreux. Il peut même y en avoir des millions. Ces volumes déterminent le niveau de précision du modèle. De fait, plus ils sont nombreux et plus la précision est garantie. Les ressources allouées au projet devront donc indiquer le niveau de précision attendu. Puis, l’étude CFD utilise plusieurs algorithmes dans son processus de réalisation pour générer automatiquement cet outil du numérique.

Les secteurs industriels concernés par l’étude CFD

 

Plusieurs secteurs industriels peuvent incorporer la mécanique des fluides assistée par ordinateur. C’est le cas de :

• L’industrie agroalimentaire
• L’industrie chimique (cosmétique et pharmaceutique)
• L’industrie pétrolière
• L’industrie microélectronique
• L’industrie biotechnologique.

Quel est le prix d’une étude CFD ?

La question du prix d’une simulation de l’écoulement des fluides dépend de trop de facteurs pour être déterminé ici. En effet, cela dépend de la puissance des logiciels, du niveau de faisabilité, des ressources informatiques et du niveau d’expertise. Chaque projet étant différent, il faudra adapter à chacun les ressources qui lui sont propres.

Les limites de la maquette des systèmes fluidiques

Il faut savoir que la Dynamique des Fluides n’est pas une science exacte. En effet, la modélisation du comportement des fluides doit être vérifiée par un expert. Également, il faut savoir que ce procédé aux calculs complexes induit des moyens et connaissances poussés en informatique. L’emploi même de supercalculateurs ou de clusters ne permet pas l’optimisation du temps. En effet, si l’on veut parvenir à obtenir des résultats rigoureux, il faudra passer plusieurs jours sur des calculs. De plus, même les résultats obtenus doivent être interprétés et la modélisation CFD doit être expertisée. Pour finir, nous dirons que seule l’expérience validera ou non le modèle produit par cet outil de l’ingénierie.

Étude CFD industrielle : des applications adaptées à chaque secteur

Les phénomènes aérauliques, thermiques et fluidiques varient fortement selon les environnements industriels. Une étude CFD doit donc partir des conditions réelles d’exploitation : géométrie des installations, débits, températures, pressions, sources de chaleur, caractéristiques des fluides, équipements présents et scénarios de fonctionnement.

La simulation numérique permet alors de visualiser des phénomènes difficilement observables directement sur une installation. Les cartographies de vitesse, de température ou de pression mettent en évidence les zones critiques et facilitent la comparaison de plusieurs solutions techniques avant leur mise en œuvre.

Secteur d’activité	Problématiques pouvant être étudiées en CFD
Industrie et sites de production	Ventilation des ateliers, évacuation de chaleur, circulation de l’air, implantation des équipements
Agroalimentaire	Homogénéité des températures, refroidissement, ventilation et maîtrise des flux
Pharmaceutique	Flux d’air, maîtrise des zones sensibles, dispersion et comportement aéraulique
Énergie et process	Écoulements, transferts thermiques, pressions et pertes de charge
Microélectronique	Refroidissement des équipements, points chauds et maîtrise des températures
Locaux techniques et Data Centers	Distribution de l’air, refroidissement, recirculation et identification des points chauds

L’intérêt de cette approche dépasse la simple visualisation d’un écoulement. Les résultats obtenus doivent permettre de confronter différentes hypothèses et d’orienter les choix de conception, de dimensionnement ou de modification d’une installation.

Simuler vos installations avant d’engager des travaux

Modifier une installation industrielle représente rarement une décision anodine. Déplacement d’un équipement, augmentation d’un débit, modification d’un réseau, remplacement d’un système de ventilation, augmentation d’une capacité de production : chaque intervention peut avoir des conséquences sur l’ensemble du fonctionnement de l’installation.

L’étude CFD permet de tester virtuellement ces modifications avant leur réalisation.

Plusieurs configurations peuvent être modélisées et comparées afin d’observer leur influence sur les températures, les vitesses, les pressions ou les écoulements. Le maître d’ouvrage dispose ainsi d’éléments techniques permettant d’arbitrer entre différentes solutions avant d’engager les investissements correspondants.

Cette démarche prend tout son intérêt lorsqu’une installation existante présente déjà une problématique : température excessive dans certaines zones, mauvaise évacuation de chaleur, recirculation d’air, pertes de charge importantes, ventilation insuffisante ou répartition déséquilibrée des flux.

La simulation permet alors de rechercher l’origine du phénomène, puis d’évaluer différentes pistes d’amélioration.

Une étude CFD pour répondre à une décision technique

L’objectif n’est pas de produire uniquement une représentation graphique spectaculaire des flux. Une étude CFD doit fournir des données utilisables pour le projet.

Selon la problématique étudiée, elle peut notamment permettre de :

• comparer plusieurs implantations d’équipements 
• évaluer différentes solutions de ventilation 
• analyser l’influence d’une augmentation de débit 
• identifier les zones de stagnation ou de recirculation 
• localiser les points chauds 
• étudier les pertes de charge 
• analyser la distribution des températures 
• vérifier le comportement d’une installation dans différentes conditions d’exploitation.

Les résultats peuvent être présentés sous forme de cartographies de températures, champs de vitesses, distributions de pression, trajectoires d’écoulement ou visualisations tridimensionnelles.

Ces données facilitent ensuite l’interprétation technique et la formulation de préconisations adaptées au projet.

Comparer plusieurs scénarios pour sécuriser l’investissement

L’un des principaux intérêts de la simulation numérique réside dans la possibilité de faire varier les paramètres sans modifier physiquement l’installation.

Prenons l’exemple d’un atelier confronté à des températures excessives autour de plusieurs équipements de production.

Une première configuration peut simuler l’installation existante. Une seconde peut intégrer une augmentation du débit de ventilation. Une troisième peut tester le déplacement des points d’extraction. Une quatrième peut évaluer une nouvelle implantation des équipements.

Les résultats permettent ensuite de comparer objectivement les différentes solutions.

Cette approche réduit le risque d’investir dans une modification qui ne répondrait que partiellement au problème initial. Elle permet également de mieux cibler les essais physiques et les interventions réellement nécessaires.

La CFD devient alors un outil d’aide à la décision technique, et non simplement un outil de calcul.

De la modélisation CFD aux préconisations techniques

La pertinence d’une simulation dépend directement de la qualité du modèle utilisé.

La géométrie doit représenter correctement l’installation étudiée. Les conditions aux limites doivent reproduire les conditions de fonctionnement pertinentes. Les caractéristiques physiques des fluides, les températures, les débits ou encore les sources thermiques doivent être intégrés avec précision.

Le maillage constitue ensuite une étape déterminante. Sa finesse doit être adaptée aux phénomènes étudiés afin d’obtenir un niveau de précision suffisant sans générer inutilement des temps de calcul excessifs.

Après résolution numérique, les résultats doivent surtout être interprétés au regard de la problématique industrielle initiale.

Une cartographie montrant une zone de recirculation n’a de valeur que si elle permet de comprendre ses conséquences et d’identifier une solution technique pertinente.

La finalité de l’étude reste donc la même : transformer les résultats de simulation en informations exploitables pour dimensionner, modifier, optimiser ou sécuriser une installation industrielle.

FAQ – Étude CFD industrielle