Introduction

Dans la première partie, je me suis concentré sur l'évaluation de la qualité de la carrosserie de la Formula Student à l'aide CATIA . En examinant la continuité, la courbure et le comportement de la réflexion des surfaces, j'ai identifié les zones nécessitant une attention particulière avant de passer à la simulation numérique des fluides (CFD). Une fois la géométrie validée, j'ai poursuivi avec une SIMULIA analyse CFD afin d'étudier l'interaction de la carrosserie avec l'écoulement de l'air et de préparer le modèle pour l'évaluation aérodynamique.

Dans cet article, je vais partager le flux de travail que j'ai suivi dans SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, depuis la réparation de la géométrie importée et la création du domaine fluide externe jusqu'à la définition de la physique, la génération du maillage et l'interprétation des premiers résultats CFD.

Cette étude constitue une analyse aérodynamique de référence et non une validation finale du véhicule. Mon objectif était de comprendre le comportement de l'écoulement d'air autour de la carrosserie, d'évaluer l'influence des caractéristiques de surface identifiées lors de l'analyse CATIA sur cet écoulement et de repérer les pistes d'amélioration pour de futures conceptions.

Transition de CATIA à SIMULIA: Planification de la stratégie CFD

Après avoir effectué les opérations de validation géométrique et de réparation dans CATIA, j'ai transféré le modèle dans SIMULIA Fluid Model Creation.

Ayant déjà travaillé avec ANSYS Fluent, j'ai trouvé particulièrement intéressant de comparer les deux flux de travail de simulation numérique. J'ai constaté que la principale différence ne résidait pas dans la physique sous-jacente à la simulation, mais plutôt dans la manière dont chaque plateforme organise l'ensemble du processus.

Comparaison des flux de travail CFD ANSYS Fluent et SIMULIA

D'après mon expérience, ANSYS Fluent offre un flux de travail très axé sur la résolution. Il donne aux utilisateurs un accès direct à de nombreux paramètres détaillés, notamment le contrôle du maillage, les schémas de discrétisation, les méthodes de couplage pression-vitesse, les modèles de turbulence et les paramètres de convergence.

SIMULIA Fluid Dynamics Engineer adopte une approche CAO-CFD plus intégrée au sein de la 3DEXPERIENCE plateforme. La préparation de la géométrie, la création du domaine fluide externe, le maillage à dominante hexagonale, la génération des couches prismatiques, la définition physique et le post-traitement restent connectés au même environnement de données produit.

Les deux méthodes de travail reposent sur des calculs de dynamique des fluides par volumes finis et peuvent être utilisées pour des simulations RANS. La principale différence que j'ai constatée ne résidait donc pas dans les équations sous-jacentes à la simulation, mais dans la manière dont l'ingénieur interagit avec l'ensemble du processus.

Définition de la stratégie CFD pour l'étude de référence

Pour cette première étude aérodynamique, j'ai également dû tenir compte des limitations d'une licence étudiante et du nombre de cellules disponibles. Au lieu d'appliquer un maillage très fin partout, j'ai concentré les éléments disponibles sur les régions où ils seraient les plus utiles :

• La région du nez, où se développent de forts gradients de pression
• Transitions de surface, où une accélération ou une séparation de l'écoulement peut se produire
• Zones proches des parois, où le comportement de la couche limite doit être capturé
• La zone de sillage derrière la carrosserie

La région en champ lointain a été maintenue relativement grossière afin d'économiser des ressources de calcul.

Pour la couche limite, j'ai prévu d'utiliser des couches prismatiques adaptées à la géométrie. La hauteur de la première couche, son taux de croissance et son épaisseur totale devaient être définis en fonction du modèle de turbulence et de la plage y+ cible. SIMULIA Fluid Dynamics Engineer propose ce type de maillage adapté à la géométrie pour une meilleure modélisation des surfaces complexes et du comportement de l'écoulement près des parois.

Pour la simulation initiale, j'ai opté pour une approche RANS stationnaire et incompressible. S'agissant d'une étude de référence, mon objectif n'était pas d'atteindre les valeurs de certification aérodynamique finales, mais plutôt de comprendre les principales structures d'écoulement autour de la carrosserie.

Au cours du processus de résolution, j'ai surveillé non seulement la convergence des résidus, mais aussi la stabilité des forces aérodynamiques, la distribution de pression et le développement du sillage. Une simulation ne peut être considérée comme fiable du seul fait de la diminution des valeurs résiduelles ; les forces aérodynamiques doivent également atteindre un comportement stable.

Figure 10. La géométrie de la carrosserie réparée transférée à SIMULIA Fluid Model Creation avant l'extraction du domaine externe et la génération du maillage.

Création du domaine fluide externe

L'étape suivante consistait à créer le domaine fluide externe autour de la carrosserie à l'aide de la commande Domaine fluide.

Ce domaine représente le volume d'air qui sera pris en compte lors de l'analyse CFD. Sa taille et la position du véhicule à l'intérieur de ce volume influent directement sur la précision des résultats et sur le coût de calcul.

Lors du positionnement de la carrosserie à l'intérieur du domaine, j'ai maintenu la hauteur de caisse prévue du véhicule en conservant la limite inférieure à la garde au sol correcte.

Ce détail est important car la distance entre la carrosserie et le sol influe sur l'écoulement de l'air sous le véhicule, la répartition de la pression et la manière dont l'air interagit avec la partie avant du véhicule.

J'ai également prévu un espace suffisant autour du véhicule afin de réduire les effets de blocage artificiel. La zone en amont a été étendue pour permettre au flux entrant de se développer correctement, tandis qu'un espace supplémentaire en aval a été réservé pour la formation du sillage.

Cependant, faute de budget suffisant pour le maillage de maillage lié à ma licence étudiante, j'ai dû trouver un compromis. Un domaine plus grand n'implique pas automatiquement de meilleurs résultats si les cellules supplémentaires n'améliorent pas les zones d'écoulement importantes.

Figure 11. Domaine fluide externe créé autour de la carrosserie.

Définition de la région du travail corporel

Après avoir créé le domaine externe, j'ai défini les surfaces de la carrosserie comme une région distincte à l'intérieur du modèle fluide.

Cette étape permet à SIMULIA de faire la distinction entre la géométrie du véhicule et le volume d'air environnant, ce qui permet d'appliquer la condition limite de paroi correcte lors de la configuration de la simulation.

À ce stade, j'ai vérifié que les faces sélectionnées représentaient correctement la carrosserie et confirmé que SIMULIA pouvait créer le volume fluide sans frontières ouvertes ni surfaces qui s'intersectent.

Cela confirmait également de manière importante que le processus de nettoyage géométrique effectué précédemment dans CATIA avait bien préparé le modèle pour la CFD.

Figure 12. Surfaces de la carrosserie définies comme la région du modèle fluide.

Configuration physique, conditions aux limites et demandes de sortie

Une fois le domaine fluide préparé, j'ai créé une étape de simulation en régime permanent pour l'analyse aérodynamique de base.

J'ai fixé le nombre maximal d'itérations à 2000 et défini des critères de convergence pour les équations de quantité de mouvement, d'énergie cinétique turbulente (TKE) et d'oméga.

Ces valeurs résiduelles fournissent des informations utiles sur la convergence numérique, mais je ne me suis pas fié uniquement à elles. J'ai également surveillé les forces aérodynamiques et le comportement de la pression afin de déterminer si la solution avait atteint un état physiquement stable.

Une simulation présentant de faibles résidus peut néanmoins nécessiter des itérations supplémentaires si les valeurs de traînée, de portance ou de pression continuent de changer.

Figure 13 – Étape de solution en régime permanent avec un maximum de 2000 itérations et critères d'arrêt résiduels pour l'impulsion, le TKE et omega.

Définition des conditions aux limites

Pour la limite d'entrée, j'ai appliqué une vitesse d'entrée normale à la face amont avec une magnitude de vitesse de 15 m/s.

Les conditions de turbulence ont été définies à l'aide de l'intensité de turbulence et du rapport de viscosité turbulente, avec des valeurs de 0,1 et 100 pour ce modèle de base.

À la sortie, j'ai appliqué une condition de pression de sortie avec une pression relative statique de 0 Pa, permettant aux variables d'écoulement de se développer naturellement tout en maintenant une pression de référence.

Les surfaces de la carrosserie ont été définies comme des parois solides. Cela a permis à la simulation de prendre en compte des phénomènes aérodynamiques importants tels que :

• Accumulation de pression autour du nez
• Accélération de l'écoulement sur des surfaces courbes
• Comportement au cisaillement près de la paroi
• Formation de sillage derrière le véhicule

Figure 14A – Comportement physique

Figure 14B – Condition limite d’entrée de vitesse appliquée à la face amont avec une vitesse d’écoulement libre de 15 m/s.

Figure 15. Sortie de pression appliquée à la face aval avec une pression manométrique statique de 0 Pa.

Définition des sorties de champ et d'historique

Avant de lancer la simulation, j'ai défini à la fois les sorties de terrain et les sorties historiques.

Les données de terrain ont été utilisées pour visualiser les variables d'écoulement dans l'ensemble du domaine de calcul. Les variables sélectionnées comprenaient :

• Vitesse
• Pression relative et pression absolue
• Pression totale
• Vorticité
• Critère Q
• Taux de cisaillement

Ces résultats permettraient ultérieurement d'identifier les variations de pression, les zones d'accélération, les structures d'écoulement rotationnel et les éventuelles zones de séparation.

Pour les surfaces de carrosserie, j'ai créé des sorties d'historique à surveiller :

• Force totale du fluide
• force de pression
• Force visqueuse
• Moment

Le suivi de ces valeurs pendant la résolution a permis d'obtenir une image plus claire de la convergence aérodynamique par rapport à une analyse basée uniquement sur les graphiques des résidus.

J'ai également demandé les valeurs de cisaillement pariétal et de y+ pour évaluer si le maillage près de la paroi était approprié pour le traitement de turbulence sélectionné.

Figure 16. Sortie.

Stratégie de maillage à dominance hexagonale et contrôle de qualité

Pour cette étude de référence, j'ai généré un maillage à dominance hexagonale pour l'ensemble du domaine fluide externe.

La taille globale des éléments a été définie entre 1 mm et 5 mm, les éléments les plus petits étant concentrés là où une plus grande précision géométrique était requise. J'ai également activé les couches limites à l'aide de sept couches prismatiques, la première couche ayant une épaisseur de 0,2 mm.

Ces couches étaient importantes pour capturer les gradients de vitesse à proximité de la surface de la carrosserie et pour permettre l'évaluation de la contrainte de cisaillement pariétal et des valeurs y+ après la simulation.

Cependant, en raison des limitations liées à une licence étudiante et à un nombre restreint de cellules, le maillage devait constituer un compromis entre précision et coût de calcul. C'est pourquoi je l'ai considéré comme une configuration de base plutôt que comme une solution finale indépendante du maillage.

Après la génération du maillage, j'ai examiné le rapport de qualité en utilisant plusieurs critères, notamment le rapport d'aspect, la distorsion, les angles maximum et minimum, l'inclinaison et l'étirement.

La majorité des éléments étaient conformes aux normes. Un faible pourcentage de cellules ont été classées comme médiocres ou mauvaises, principalement selon le critère du rapport d'aspect. Ce résultat n'était pas surprenant pour un modèle complexe d'écoulement externe, où le maintien d'une qualité d'éléments parfaite dans tout le domaine peut considérablement augmenter le coût de calcul.

Le rapport de qualité a confirmé que le maillage était adapté à une étude aérodynamique initiale, mais il n'a pas démontré l'indépendance du maillage.

Pour une itération future, j'éviterais d'affiner uniformément l'ensemble du domaine et je concentrerais plutôt les éléments supplémentaires sur les régions aérodynamiques les plus importantes :

• La zone du nez, où les gradients de pression sont plus forts
• Transitions de surface abruptes identifiées lors de l'analyse CATIA
• La région proche du mur
• Le sillage en aval

Cette approche permettrait d'obtenir une meilleure précision là où cela compte le plus, tout en maintenant un coût de simulation gérable.

Figure 17. Paramètres de maillage à dominance hexagonale et rapport de qualité pour le modèle de base.

Démarrage de la solution en régime permanent et surveillance de la convergence

Une fois le maillage et la configuration de la simulation terminés, j'ai lancé la solution en régime permanent et j'ai commencé à surveiller les résultats.

Lors du calcul, j'ai utilisé l'historique des résultats pour suivre l'évolution des composantes de la force aérodynamique. Cela m'a permis de comprendre si la solution évoluait vers un état stable au fil des itérations.

J'ai capturé l'image ci-dessous à environ 1 % de l'avancement de la simulation. La solution étant encore en développement, la valeur de force affichée ne représente pas le résultat aérodynamique final.

Pour une évaluation complète de la convergence, j'ai pris en compte plusieurs indicateurs simultanément :

• Comportement résiduel des équations de quantité de mouvement, d'énergie cinétique turbulente et d'oméga
• Stabilité des forces aérodynamiques surveillées
• Cohérence des champs de pression et de vitesse

Il s'agissait d'un point important de l'étude, car la réduction des résidus à elle seule ne garantit pas que les grandeurs d'ingénierie aient atteint une solution stable.

Un résultat de simulation CFD devient significatif lorsque la convergence numérique et le comportement physique de l'écoulement présentent une tendance cohérente.

Figure 18. Étape initiale de la solution en régime permanent avec surveillance de la force activée.

Résultats de la simulation numérique des fluides (CFD) et interprétation technique initiale

Après avoir terminé la simulation, j'ai analysé les résultats en combinant plusieurs visualisations, notamment les contours de pression relative, la distribution des vitesses, les vecteurs de vitesse et les lignes de courant moyennes.

Plutôt que de me fier à un seul graphique, j'ai utilisé ces différents résultats ensemble pour comprendre comment le flux d'air interagissait avec la carrosserie.

Une zone de stagnation nette est apparue à l'avant du nez, où l'air entrant ralentissait et créait une zone de haute pression. À partir de ce point, le flux se séparait autour des surfaces supérieure, latérales et inférieure de la carrosserie.

L'écoulement d'air suivant les surfaces courbes, la vitesse augmentait localement, créant des zones de basse pression. Les variations de pression les plus importantes apparaissaient au niveau du nez et des zones de transition inférieures du capot. Les résultats relatifs aux lignes de courant et aux vecteurs de vitesse ont également montré que les transitions de surface identifiées lors de l'analyse CATIA influençaient le comportement de l'écoulement d'air.

La majeure partie de la section avant a conservé un écoulement relativement organisé, mais les zones en aval ont présenté des perturbations croissantes, des zones de faible vitesse et un sillage croissant. Le nez, le coin inférieur avant et la transition arrière se sont avérés être les zones les plus sensibles de la conception.

Identification des limites de conception et des axes d'amélioration

Ces observations concordent avec les problèmes identifiés lors des analyses de zèbre, de porc-épic et de courbure de surface. Il est toutefois important de préciser qu'une irrégularité de surface visible n'entraîne pas automatiquement une pénalité aérodynamique mesurable.

Pour quantifier l'impact réel de ces régions, une comparaison avec une géométrie modifiée et une étude d'indépendance du maillage seraient nécessaires.

Comme il s'agissait d'un modèle CFD simplifié ne concernant que la carrosserie, j'ai principalement utilisé ces résultats pour identifier le comportement de l'écoulement et les axes d'amélioration possibles.

Limites de l'étude CFD de référence

La simulation n'incluait pas :

• Effets de l'aile avant
• Roues tournantes
• Composants de suspension
• Interactions aérodynamiques complètes du véhicule

Par conséquent, ces résultats ne doivent pas être considérés comme les performances aérodynamiques finales du véhicule Formula Student, mais plutôt comme une première étape vers la compréhension et l'amélioration de sa conception.

Figure 19. Pression relative

Figure 20. Vitesse

Figure 21. Vecteur vitesse

Figure 22. Cadre de pression manométrique 2

Conclusion

Expliquer ce processus s'est avéré plus complexe que prévu. Le projet combinait deux domaines distincts : l'évaluation de la qualité de surface dans CATIA et l'analyse aérodynamique dans SIMULIA.

En préparant cet article, je me suis rendu compte que documenter chaque étape m'obligeait également à remettre en question mes propres décisions et à mieux comprendre le raisonnement derrière chaque choixdellmodélisation.

La communauté 3DEXPERIENCE a été une source importante d'apprentissage grâce à des projets partagés, des discussions techniques et différentes approches d'ingénierie.

J'espère que cet article pourra également aider d'autres étudiants qui commencent à combiner l'analyse de surface CATIA avec la CFD SIMULIA et qui recherchent un exemple pratique de flux de travail CAO-CFD complet.

• Auteur
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Abdulkadir Gunumdogdu

Ingénieur en dynamique des véhicules, analyse structurelle, conception aérodynamique et CFD chez Konrul Racing

Étudiant en génie mécanique et membre de l'équipe Konrul Racing, spécialisé en conception de châssis, CFD, analyse structurelle et dynamique des véhicules. Maîtrise de CATIA, 3DEXPERIENCEet ANSYS pour le développement de programmes Formula Student et de drones. Passionné par l'ingénierie du sport automobile et la conception assistée par simulation.

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