De la CFD au calcul de structure : transférer les charges

Dans une chaudière, un collecteur d'échappement ou une aube de turbine, le problème n'est pas la température elle-même mais l'écart de température : le matériau se dilate différemment selon les zones, cette dilatation est bridée, et la contrainte apparaît. La qualité du champ transféré de la CFD vers le calcul de structure fixe donc directement le résultat en contrainte.

Ce qui se perd au transfert

Le gradient. Les deux maillages diffèrent ; le maillage CFD est construit pour l'écoulement, le maillage de structure pour la contrainte. À l'interpolation, les gradients de température raides sont lissés et la contrainte est sous-estimée. Dans les zones les plus critiques — cordons de soudure, changements de section, bords des trous de refroidissement — le maillage de structure doit lui aussi être assez fin.

Décalage des surfaces. Si les surfaces des deux maillages ne coïncident pas, le transfert laisse des manques. Sur des surfaces courbes, cela produit un décalage systématique.

Le temps. Un résultat CFD stationnaire donne un seul instant. Le moment de plus forte contrainte thermique n'est généralement pas le régime stationnaire mais un transitoire — démarrage ou refroidissement brusque. Voir la note sur stationnaire et instationnaire.

La bonne séquence

1. Résoudre ensemble l'écoulement et le solide pour obtenir le champ de température. Un champ obtenu en appliquant le seul h se trompe sur le gradient. Voir la note sur le transfert thermique conjugué.
2. Sélectionner les pas de temps les plus critiques — non le maximum de température mais le maximum de gradient.
3. Transférer les champs de température et de pression sur le maillage de structure.
4. Vérifier après transfert : les températures maximale et minimale sur le maillage de structure correspondent-elles aux valeurs CFD ? Sinon, l'interpolation est fautive.

N'oubliez pas la pression

Dans les structures à paroi mince en particulier, contrainte thermique et contrainte due à la pression peuvent être du même ordre et se renforcer. Les évaluer séparément, c'est manquer la combinaison critique.

Références

1. Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
2. Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953