Des calculs de mécanique des fluides cinq fois plus rapides

Résultat scientifique Mécanique des fluides

Des chercheurs du Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique, en collaboration avec la société CS-Group, ont utilisé la méthode Boltzmann sur réseau pour simuler le phénomène de décollement aérodynamique qui peut se produire dans un moteur d'avion. Cinq fois plus rapide que les méthodes classiques de simulation, cette approche ouvre la voie à des calculs plus précis et à une conception optimisée des pièces aéronautiques.

Dans un moteur d'avion, les écoulements dans les étages de compression sont tridimensionnels, instationnaires et turbulents. C'est pourquoi leur simulation est complexe, notamment si l'on veut décrire un phénomène comme le décollement de couche limite (la formation de zones tourbillonnaires), qui nuit au fonctionnement optimal du moteur. Avec les logiciels de mécanique des fluides classiques, ce type de calculs oblige à faire des compromis ou des simplifications, compte-tenu des moyens de calculs disponibles.

Pour diminuer les temps de calculs, et ouvrir ainsi la voie à des simulations plus précises, des chercheurs du Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/École Centrale Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/INSA Lyon), en collaboration avec la société CS-Group, proposent d'appliquer à ce problème la méthode Boltzmann sur réseau.

La méthode Boltzmann sur réseau, contrairement aux méthodes classiques de simulation en mécanique des fluides, s'attache au mouvement des molécules du fluide. Cela peut sembler inutilement détaillé pour modéliser des écoulements, mais en utilisant des lois d’évolution très simplifiées de molécules se déplaçant en groupes sur un réseau régulier, il est possible de simuler efficacement la dynamique effective du fluide. C'est ce qu'ont montré les chercheurs en se focalisant sur le phénomène de décollement aérodynamique qui peut se produire au niveau des aubes de compresseur du moteur. Les résultats sont conformes aux données expérimentales sur une grille d’aubes en soufflerie, et ont été obtenus cinq fois plus rapidement qu'avec les techniques de simulation classiques. L'efficacité de la méthode, et son coût réduit en termes de temps de calcul, ont également permis d'effectuer des investigations, en testant l'influence de certains paramètres, comme l'épaisseur de la couche limite incidente.

L'exemple traité dans cette étude confirme les avantages de la méthode Boltzmann sur réseau, qui exploite efficacement les architectures des calculateurs parallèles, tout en étant adaptée à la simulation de géométries complexes1. Les chercheurs vont maintenant poursuivre l'étude en testant la méthode avec des écoulements plus rapides (nombre de Mach plus élevé), plus représentatifs du fonctionnement réel d'un moteur d'avion.

Simulation par méthode Boltzmann sur réseau du décollement aérodynamique dans une grille d'aubes de compresseur. Les structures turbulentes de l'écoulement, ici colorées par la vitesse, se développent autour des aubes et s'accumulent dans la zone de décollement.  © Jérôme Boudet, LMFA (CNRS/École Centrale Lyon/Univ. Claude Bernard Lyon 1/INSA Lyon)
Simulation par méthode Boltzmann sur réseau du décollement aérodynamique dans une grille d'aubes de compresseur. Les structures turbulentes de l'écoulement, ici colorées par la vitesse, se développent autour des aubes et s'accumulent dans la zone de décollement.
© Jérôme Boudet, LMFA

Références
Unsteady Lattice Boltzmann Simulations of Corner Separation in a Compressor Cascade.
Boudet, J., Lévêque, E., and Touil, H.
ASME. J. Turbomach. January 2022; 144(1): 011010.
https://doi.org/10.1115/1.4052017

  • 1. Ces résultats ont été obtenus avec le logiciel industriel ProLB (http://www.prolb-cfd.com/), basé sur la méthode Boltzmann sur réseau, et développé au sein d’un consortium public-privé associant CS-Group, Renault, Airbus, l’École Centrale de Lyon, Aix-Marseille-Université, Sorbonne Université et le CNRS.

Contact

Jérôme Boudet
Maître de conférences de l’École Centrale de Lyon, Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (LMFA, CNRS/École Centrale Lyon/Univ. Claude Bernard Lyon 1/INSA Lyon)
Communication INSIS