DISCRETISATION DES DOMAINES DE CALCUL – LE MAILLAGE

L’opération de maillage consiste à discrétiser les domaines de calcul. La résolution de la grille de maillage concerne plus particulièrement les zones qui présentent un fort gradient. Ainsi, une bonne résolution permet de mieux décrire les phénomènes physiques qui existent dans ces zones telles que les ondes de choc ou les phénomènes liés à la couche limite. Dans beaucoup de cas, la faible résolution du maillage dans des zones critiques du domaine de calcul affecte sérieusement la solution et modifie nettement les caractéristiques calculées de l’écoulement. Par exemple, la modélisation d’un décollement de la couche limite due à un fort gradient de pression dépend fortement de la résolution du maillage en proche paroi.

L’équation de la couche limite pour un écoulement laminaire d’une incidence nulle sur une plaque plane est donnée par [15] :

1 . ≤ = ∞ x u y_p ν (VI-I) Où :

yp : Distance par rapport à la paroi

∞

u : Vitesse à l’infini amont

ν : Viscosité cinématique du fluide

x : Longueur caractéristique

En raison de la forte interaction qui existe entre la turbulence et les grandeurs moyennes de l’écoulement, les résultats numériques issus de la modélisation des écoulements turbulents sont plus susceptibles d’être influencés par la résolution de la grille de maillage que ceux issus de la modélisation des écoulements laminaires. En proche paroi, la résolution du maillage exigée dépend du modèle physique dit « proche paroi » utilisé.

Dans les régions à forts gradients tels que les décollements de couche limite, la grille de maillage doit être assez raffinée pour réduire les changements de variables de l’écoulement d’une cellule à une autre. Malheureusement, il est difficile, voire impossible dans certains cas de déterminer ces zones à l’avance. Sans oublier la contrainte liée au temps de calcul et aux ressources informatiques imposée par une forte résolution du maillage. La précision des calculs numériques des écoulements 3D augmente en utilisant un maillage très fin, mais le besoin en ressources informatiques pour la réalisation de ces calculs et de leur post-traitement augmente aussi. Le recours à l’adaptation du maillage au cas à traiter peut constituer une alternative intéressante pour parer à ce genre de contraintes liées à la résolution de la grille de maillage. En effet, il existe des algorithmes d’adaptation du maillage à la morphologie de

L’écoulement Mauvaise résolution Meilleure résolution Fig. I-23. Résolution du maillage

31 l’écoulement étudié à partir du champ d’écoulement issu d’une solution préalable. Ils permettent ainsi de réduire ou d’augmenter la résolution du maillage dans des régions spécifiques du domaine de calcul, ce qui constitue un usage plus économique des cellules de la grille de maillage.

L’erreur de troncature caractérise l’écart entre la valeur des dérivées partielles par rapport à celles données par la discrétisation. Un changement brusque de la taille de deux éléments de maillage adjacents se traduit par une grande erreur de troncature.

Le changement dans la taille des éléments d’une zone maillée à une autre, doit être graduel. La variation de taille des éléments de deux zones adjacentes ne doit pas dépasser 20% (figure I-23).

6. 1. Type de maillage

Traditionnellement le maillage des volumes fluides des turbomachines, emploie des éléments structurés pour des raisons diverses :

• La forme des canaux fluides inter aubage qui présentent dans la majorité des cas des géométries assez régulières pour permettre de construire une grille de maillage structuré.

• Les algorithmes de CFD sont développés sur la base d’approches éléments finis qui requièrent un maillage structuré.

Avec l’avènement des codes de calcul appliqués sur des maillages non structurés à l’instar de

Fluent, le choix entre un maillage structuré, non structuré, voire hybride est devenu possible

(figure I-24). Ce choix permet de réaliser ainsi des grilles de maillage adaptées à chaque configuration géométrique.

Maillage structuré (quadra/hexa)

Il est beaucoup plus facile de le générer en utilisant une géométrie multi bloc. Cette technique consiste à diviser les domaines de calcul en plusieurs compartiments de formes géométriques simplifiées et de les mailler séparément. Il présente les avantages suivants :

• Economique en nombre d’éléments, présente un nombre inférieur de mailles par rapport à un maillage non structuré équivalent.

• Réduit les risques d’erreurs numériques dues à la diffusion numérique si l’écoulement est aligné avec le maillage.

Ses inconvénients :

• Difficile à générer dans le cas d’une géométrie complexe.

• Difficile d’obtenir une bonne qualité de maillage pour certaines géométries complexes.

• Dans la majorité des cas, la division du domaine de calcul est nécessaire pour faciliter sa génération.

Maillage non structuré (tri/tétra.)

Les éléments de ce type de maillage sont générés arbitrairement sans aucune contrainte quant à leur disposition.

32 • Peut être généré sur une géométrie complexe tout en gardant une bonne qualité des

éléments

• Les algorithmes de génération de ce type de maillage (tri/tétra) sont très automatisés d’où un gain de calcul énorme.

Ses inconvénients :

• Très gourmand en nombre de mailles comparativement au maillage structuré.

• Engendre des erreurs numériques (diffusion numérique) qui peuvent être plus importantes si l’on compare avec le maillage structuré.

Maillage hybride

Maillage généré par un mélange d’éléments de différents types, triangulaires ou quadrilatéraux en 2D, tétraédriques, prismatiques, ou pyramidaux en 3D.

Ses avantages :

• Combine les avantages du maillage structuré et ceux du maillage non structuré en réduisant les erreurs dues à la diffusion numérique.

Ses inconvénients : ce type de maillage demeure encore difficile à générer notamment dans les endroits de liaison entre le maillage structuré et le maillage non structuré

6. 2. Résumé sur le choix d’une grille de maillage

En résumé, les éléments de maillage utilisables en CFD sont de type triangulaire, quadrilatéral (ou combinés) en 2D, et tétraédrique, hexaédrique, pyramidal (ou combinés) en 3D. Le choix entre ces différents types d’éléments de maillage dépend essentiellement de l’application à laquelle ils sont destinés. Toutefois, ce choix dépend des paramètres suivants :

Le temps de calcul

La plupart des applications de la CFD dans les turbomachines concernent des géométries très complexes. La création d’une grille de maillage structurée en multi blocs (éléments hexaédriques quadrilatéraux) pour la majorité des problèmes, peut exiger un temps de calcul

33 extrêmement élevé, voire rendre cette tâche impossible. La réduction du temps de calcul constitue la principale motivation pour l’utilisation des maillages non structurés employant des éléments triangulaires et tétraédriques.

Le coût des calculs

Pour une même géométrie complexe et pour un maillage équivalent, le domaine de calcul peut exiger moins d’éléments non structurés (triangulaires ou tétraédriques) que d’éléments structurés (quadrilatéral ou hexaédrique). Cela s’explique par le fait que les éléments triangulaires et tétraédriques se combinent mieux, par leurs formes géométriques, dans le maillage des géométries complexes. Dans le cas des géométries simples, c’est plutôt les éléments structurés qui sont les moins coûteux.

L’une des caractéristiques essentielles qui pourrait rendre les éléments structurés plus économiques dans certaines situations, est le fait qu’ils présentent un facteur de distorsion moins élevé. Par ailleurs, les cellules triangulaires ou tétraédriques (non structuré) risquent de présenter un coefficient de distorsion plus élevé, ce qui affecte inévitablement la précision des calculs et le processus de convergence de la solution. Toutefois, pour des géométries simples qui épousent les filets fluides à l’exemple d’un conduit long et mince, il est préférable d’utiliser des cellules quadrilatérales ou hexaédriques, ce qui permet d’avoir un maillage moins gourmand qu’en utilisant des cellules triangulaires et tétraédriques.

La diffusion numérique

L’une des sources d’erreurs dans les calculs numériques des écoulements complexes est le phénomène de diffusion numérique. Le terme « diffusion numérique » ne désigne pas un phénomène physique, mais son effet consiste à augmenter la vraie valeur du coefficient de diffusion dans les calculs numériques.

Notons ce qui suit au sujet de la diffusion numérique :

- l’effet de la diffusion numérique devient plus apparent lorsqu’elle est très grande devant la vraie diffusion.

- Tous les schémas numériques de résolution des équations gouvernantes sont affectés d’une diffusion numérique, parce que cette dernière résulte des erreurs de troncature qui sont une conséquence de l’écriture des équations gouvernantes sous une forme discrète.

- La discrétisation du second ordre permet de réduire les effets de la diffusion numérique sur la solution.

- La diffusion numérique est inversement liée à la résolution du maillage.

- La diffusion numérique est réduite au minimum lorsque les filets fluides sont alignés avec les cellules de maillage.

Au sujet de la diffusion numérique, une solution de compromis s’impose quant au choix du type de grille de maillage. En effet, l’écoulement peut ne jamais être aligné avec les cellules de la grille de maillage, sauf pour des cas simples où il est possible d’utiliser des cellules quadrilatérales ou hexaédriques, chose qui n’est pas évidente pour des géométries complexes. Cette situation peut se produire dans des cas très simples comme celui d’un écoulement dans un long conduit.

34

6. 3. Le maillage non conforme

Souvent dans les calculs CFD appliqués aux turbomachines, la modélisation des parties mobiles et de leur mouvement relatif par rapport aux parties fixes, et la prise en compte des différentes interactions mises en jeu, requièrent l’utilisation d’un maillage non conforme afin de calculer le flux à travers les frontières des domaines de calcul. Ainsi, les frontières des zones en mouvement relatif à d’autres sont appelées des interfaces non conformes. Cette appellation « non conforme » signifie que les nœuds de maillage de chaque interface appartenant à chaque zone ne coïncident pas. L’intersection de deux interfaces non conformes donne une zone intérieure au domaine de calcul (fig. I-25).

.

Interface des zones 1 et 2

Zone 1

Zone 2

Fig. I-25- Principe des interfaces non conformes

35