Les turbomachines – des pompes centrifuges et compresseurs aux turbines et ventilateurs – sont l'épine dorsale des installations industrielles et énergétiques modernes. Leur conception et leur optimisation nécessitent une compréhension approfondie de la mécanique des fluides et des outils numériques précis. Nous combinons les deux : une expertise d'ingénierie solide avec une technologie CFD de pointe basée sur des logiciels entièrement libres.

Analyse des performances et conception de turbomachines avec CFD

Nous effectuons des opérations de base Analyse des performances et conception de turbomachines avec les méthodes CFD (mécanique des fluides numérique) les plus modernes. L'ensemble du flux de travail d'analyse est dans le InsightCAE-Framework entièrement automatisé et utilise exclusivement des logiciels open-source. Ceci permet des simulations très économiques, des temps de traitement courts et une intégration facile dans des cadres d'optimisation automatiques.

Qu'est-ce qu'une turbomachinerie – et pourquoi la CFD est-elle cruciale ?

Les turbomachines sont des machines à fluide rotatives qui transfèrent de l'énergie entre un fluide et un rotor. On peut les diviser grossièrement en deux catégories :

• Machines de travail (par ex. pompes, compresseurs, ventilateurs) transfèrent l'énergie mécanique au fluide
• Machines-outils (par exemple, turbines, turbines hydrauliques) : extraient de l'énergie du fluide et la transforment en travail de rotation

Les processus d'écoulement internes – écoulements secondaires, décollements, interactions entre la couche limite et les chocs, écoulements de fentes – sont complexes et difficiles à saisir entièrement analytiquement dans leurs détails. La simulation numérique des écoulements (CFD) est donc aujourd'hui l'outil standard pour la conception, l'analyse et l'optimisation de ces machines.

Notre workflow CFD pour les turbomachines en détail

Notre processus d'analyse couvre l'ensemble du déroulement d'une simulation de turbomachine – de la préparation de la géométrie à l'évaluation des résultats :

• Création et paramétrage de géométrie: Définition de la géométrie de la pale et du carter, en option sur la base de données CAO existantes ou par une nouvelle conception paramétrique
• MaillageGénération automatisée de maillages de calcul structurés ou non structurés avec résolution de paroi optimisée (contrôle y⁺) pour une modélisation précise des couches limites
• Simulation stationnaire et instationnaireCalcul des points de fonctionnement par des modèles de turbulence RANS ; interactions instationnaires rotor-stator si nécessaire
• Courbes de performanceDétermination des courbes de libre parcours, des courbes caractéristiques pression-débit, des rendements, des limites de cavitation et d'autres paramètres spécifiques à la machine.
• Évaluation des résultats et visualisationLes pipelines de post-traitement automatisés fournissent des rapports reproductibles et comparables

InsightCAE : Flux de travail CFD entièrement automatisé basé sur l'open source

Ça Cadriciel InsightCAE est un puissant framework d'automatisation open-source pour l'analyse CFD et FEM. Il orchestre les solveurs et outils open-source éprouvés en un flux de travail transparent et reproductible :

• OpenFOAM en tant que solveur CFD principal – éprouvé dans l'industrie, avec une vaste bibliothèque de modèles de turbulence
• gmsh / snappyHexMesh pour une mise en réseau automatisée et contrôlée par la qualité
• VTK et ParaView pour une visualisation et une analyse évolutives et pilotées par script
• Compléter Paramétrage de toutes les étapes du workflow – idéal pour les calculs de variantes et les études de sensibilité

Grâce à l'automatisation, la mise en place manuelle de chaque simulation est supprimée. Cela réduit non seulement les sources d'erreurs, mais raccourcit aussi considérablement le temps entre la définition du problème et le résultat validé.

Intégration transparente dans les frameworks d'optimisation

Un avantage particulier du flux de travail automatisé est l'accouplement facile avec méthodes d'optimisation numérique. Les scénarios d'application typiques incluent :

• Optimisation basée sur le gradient pour l'amélioration ciblée du rendement ou de la montée en pression
• Algorithmes évolutionnistes et modèles de substitution (par exemple, Régression par Processus Gaussien) pour l'exploration de grands espaces de paramètres
• Optimisation multi-objectifs (par exemple, maximisation simultanée du rendement et de la plage de fonctionnement)
• Plan d'expériences (PdE) pour l'examen systématique des paramètres géométriques ou opérationnels

Puisque chaque exécution de simulation est entièrement contrôlée par des scripts et des paramètres, des centaines de variantes peuvent être calculées et évaluées sans intervention manuelle.

Avantages de notre approche en un coup d'œil

• Bon marché: Pas de frais de licence pour les logiciels CFD commerciaux
• RapideWorkflow automatisé minimisant les interventions manuelles et les délais de traitement
• Reproductible: Configurations de simulation entièrement documentées et versionnées
• ÉvolutifDe la simulation individuelle à la campagne d'optimisation automatisée
• Transparent: Les logiciels libres signifient une transparence totale de toutes les étapes de calcul

Domaines d'application typiques

Nos analyses CFD pour machines tournantes sont utilisées dans une variété de projets industriels et de recherche :

• Pompes à vis hélicoïdales et turbines-pompes (également pour la production d'hydroélectricité et le stockage par pompage)
• Compresseurs axiaux et radiaux pour la technologie des procédés et de l'énergie
• Hélices de navires et propulseurs à jet (en combinaison avec notre analyse de la traînée)
• Ventilateurs pour le génie climatique et la ventilation
• Turbines à vapeur et à gaz dans les applications de centrale électrique

Conclusion : CFD moderne pour turbomachines – efficace, ouverte, optimisable

Avec notre flux de travail CFD entièrement automatisé basé sur InsightCAE et des logiciels open-source, nous offrons aux bureaux d'études, aux fabricants et aux instituts de recherche un accès puissant et transparent en termes de coûts à la simulation professionnelle de turbomachines. Du calcul initial des caractéristiques à l'optimisation automatisée de la forme – le tout en une seule solution, reproductible et évolutif.

Vous prévoyez une analyse CFD pour votre turbomachine ? Interpellez-nous – nous trouvons ensemble la stratégie de simulation adaptée à votre projet.

La cavitation fait partie des phénomènes les plus critiques et coûteux dans les turbomachines traversées par des liquides. Elle limite la plage de fonctionnement, diminue le rendement, provoque du bruit et des vibrations – et peut, dans le pire des cas, entraîner des dommages matériels irréversibles en peu de temps. La simulation de la cavitation basée sur la CFD est aujourd'hui l'outil le plus fiable pour contrer efficacement ce phénomène dès la phase de conception.

Qu'est-ce que la cavitation – et pourquoi est-elle si dangereuse ?

Cavitation décrit l'évaporation locale d'un liquide résultant d'une chute de pression en dessous du point d'ébullition dépendant de la pression de vapeur – sans augmentation de température. Dans les turbomachines, cette chute de pression se produit généralement aux endroits de vitesse d'écoulement élevée : du côté aspiration des roues de pompe, du bord de pression des aubes d'hélice ou dans des zones de faible espace.

Les bulles de vapeur résultantes s'effondrent brutalement dès qu'elles atteignent des zones de pression plus élevée. Cet effondrement produit :

• Rayons microimpulsionnels avec des pics de pression locaux de plusieurs milliers de bars – principale cause d'usure des matériaux (érosion par cavitation)
• Pulsations de pression et vibrations, les paliers, les joints et les structures adjacentes à la contrainte
• Développement des compétences par des émissions acoustiques à large bande dans les bruits caractéristiques de crépitement et de claquement
• Baisse de performanceDe vastes zones de cavitation bloquent les sections de flux et entraînent un effondrement de la hauteur de refoulement ou de la poussée.

La cavitation comme phénomène limitant pour les turbomachines

le La cavitation est un phénomène limitant pour les turbomachines, qui sont utilisés dans les liquides. Pour prédire le début de la cavitation et ses effets sur les performances de la machine, Simulation par CFD comme méthode la plus fiable utilisé. Cela concerne presque tous les types de machines dans lesquelles des fluides sont accélérés ou déviés :

• Pompes hélicoïdales – particulièrement en cas de basse pression d'admission (dépassement de la NPSH)
• Hélices de navires et sous-marines – en pleine charge ou à charge partielle
• Turbines-pompes et turbines hydrauliques (Francis, Kaplan, Pelton) – en zones de charge partielle et de surcharge
• Moteurs et pompes hydrauliques dans les systèmes haute pression
• Inducteurs dans les moteurs de fusée et les pompes haute performance

Simulation de cavitation avec CFD : bases physiques

Les modèles de cavitation CFD modernes sont basés sur un Approche en deux phasesLe flux est modélisé comme un mélange de phases liquide et vapeur, où la fraction volumique locale de vapeur est régie par une équation de transport. Les approches de modélisation établies sont :

• Modèle Schnerr-SauerBasé sur l'équation simplifiée de Rayleigh-Plesset pour la croissance de bulles ; bien validé pour la cavitation de pompe
• Modèle Zwart-Gerber-BelamriPrend en compte les interactions entre la population de bulles et le transfert de masse ; largement utilisé dans les applications industrielles
• Modèle de MerkleApproche de transfert de masse basée sur la pression, particulièrement stable pour les calculs transitoires

Le modèle de cavitation est complété par des éléments appropriés Modèles de turbulence (k-ω SST, k-ε Realizable) et – si nécessaire – par des modèles pour les effets thermiques qui deviennent pertinents pour les fluides cryogéniques ou l'eau chaude.

Que fait concrètement la simulation de cavitation par CFD ?

Une simulation de cavitation soigneusement conçue fournit bien plus qu'une simple indication de la présence de cavitation. Les résultats typiques incluent :

• Début de cavitationDétermination du point de fonctionnement critique (pression, débit, vitesse de rotation) à partir duquel la cavitation commence – comme base pour les courbes NPSH et les preuves de sécurité
• Propagation spatiale de la cavitation: Visualisation des fractions volumiques de vapeur sur les surfaces des aubes, dans le passage ou à l'entrée d'aspiration – pour l'identification des zones sujettes à l'érosion
• Perte de performance due à la cavitation: Quantification de la baisse de hauteur de refoulement ou de poussée en fonction de l'indice de cavitation σ
• Dynamique non stationnaire de la cavitationPériode de simulation de structures cavitantes en effondrement périodique (cavitation en nuage, cavitation en nappe) et de leurs pulsations de pression
• Cartes de potentiel d'érosionIdentification des zones d'ablation de matière par l'évaluation des impulsions de pression locales lors de l'effondrement des bulles

Notre flux de travail : Simulation de cavitation avec un logiciel open-source

nos simulations de cavitation sont entièrement réalisées avec Logiciel libre réalisé – principalement avec OpenFOAM et intégré dans l'automatisation Flux de travail InsightCAE:

• Géométrie et mise en réseauGénération automatique de maillage avec résolution fine de paroi et affinement du maillage dans les zones sujettes à la cavitation
• Examen pré-opératoire en hospitalisationÉvaluation rapide du champ de pression et identification des zones critiques sans modèle de cavitation
• Simulation de cavitation instationnaire: Activation du modèle biphasique et calcul du comportement de cavitation dépendant du temps
• Post-traitement automatiséÉvaluation des caractéristiques, visualisation des fractions volumiques de vapeur, analyse des pulsations de pression
• Variation de paramètreCalcul systématique de plusieurs points de fonctionnement pour établir des courbes NPSH complètes

Simulation de cavitation comme base pour une conception robuste à la cavitation

La véritable force de l'analyse de la cavitation basée sur la CFD ne réside pas uniquement dans le diagnostic – mais dans la Optimisation. Sur la base des résultats de simulation, des mesures constructives ciblées peuvent être déduites et évaluées :

• Optimisation de la distribution de pression par adaptation de la géométrie de la pale (forme du profil, bord d'attaque, cambrure)
• Variation de la pression d'appui et de la précharge de la roue du rotor
• Utilisation de matériaux résistants à la cavitation dans les zones d'érosion identifiées
• Optimisation géométrique des étages d'inducteur pour la réduction de la NPSH

En combinaison avec notre cadre d'optimisation automatisé, de nombreuses variantes géométriques peuvent être systématiquement étudiées pour leur comportement de cavitation, sans effort manuel supplémentaire pour chaque variante.

Conclusion : calculez la cavitation avant qu'elle ne cause des dommages

La cavitation dans les turbomachines n'est pas un destin incontrôlable – elle est calculable, localisable et gérable par des mesures de conception ciblées. La simulation CFD de cavitation basée sur OpenFOAM offre l'outil le plus précis et le plus rentable pour cela : sans frais de licence, entièrement automatisable et directement intégrable dans le processus de conception.

Vous souhaitez étudier numériquement le comportement de cavitation de votre pompe, de votre hélice ou de votre turbine ? Contactez-nous – nous analysons votre machine et identifions les potentiels d'optimisation avant que des dommages ne surviennent.

Après la détermination d'une courbe de pas libre d'hélice par CFD (mécanique des fluides numérique) ou par une autre méthode de calcul, une analyse plus poussée – en particulier une Analyse de propulsion – nécessaire pour prédire de manière fiable la puissance de propulsion d'un navire donné. Nous avons développé des solutions logicielles d'analyse spécialisées qui s'intègrent facilement au processus de conception des navires, en nous appuyant exclusivement sur des logiciels open source.

De la courbe de passage libre à l'analyse de la propulsion

le Courbe de passage libre de l'hélice (également appelée courbe de système libre) décrit le comportement hydrodynamique d'une hélice dans des conditions définies – sans l'influence de la coque du navire. Elle fournit les indicateurs de base tels que le coefficient de poussée (K_T), coefficient de couple (K_Q) et le rendement de l'hélice (η) en fonction du taux de progression (J).

Cette courbe constitue le fondement de toutes les analyses ultérieures, mais elle n'est pas suffisante à elle seule pour représenter la réalité Puissance motrice en fonctionnement réel des navires à déterminer. Ce n'est qu'en effectuant une analyse complète de la propulsion – en tenant compte de la résistance de la coque, du sillage, de la succion et des pertes mécaniques – qu'une prévision de puissance fiable peut être faite.

Analyse de puissance : Méthodologie et étapes de calcul

Une complète Analyse de la propulsion des navires comprend généralement les étapes suivantes :

• Prédiction de la résistance : Détermination de la résistance totale du navire à une vitesse donnée, par exemple par simulation CFD ou sur la base de méthodes d'approximation reconnues (méthodes ITTC, Holtrop-Mennen).
• Interaction hélice-coque : Prise en compte du chiffre de post-flux (w), du chiffre d'aspiration (t) et du rendement de rotation relatif (η)_R).
• Détermination du point de fonctionnement : Détermination du point d'auto-propulsion de l'hélice et du moteur (Self-Propulsion Point).
• Prévisions de performance : Calcul de la puissance d'arbre requise en tenant compte des pertes de transmission et de roulement.
• Surtaxes de mer et d'encrassement : Majorations pratiques pour l'exploitation dans des conditions réelles (Marge de sécurité en mer, Franchise d'encrassement).

Nos solutions logicielles basées sur l'open source

Nous avons sur mesure Logiciels d'analyse développés, qui reposent exclusivement sur des technologies open-source – transparents, flexibles et rentables. Nos outils sont conçus pour s'intégrer de manière transparente dans les processus de conception existants, que ce soit au stade de conception précoce ou dans la phase de conception détaillée.

Les avantages de notre approche open source :

• Transparence et traçabilité : Toutes les étapes de calcul sont ouvertement visibles et scientifiquement vérifiables.
• Indépendance des modèles de licence commerciaux : Aucun frais caché, aucune dépendance vis-à-vis du fabricant.
• Interopérabilité Intégration facile avec les progiciels CFD courants (par exemple, OpenFOAM) et d'autres outils de conception.
• Adaptabilité Adaptation complète aux exigences spécifiques du projet et aux types de navires.
• Communauté et développement continu : Bénéficiez d'une communauté open-source active et d'améliorations continues.

Domaines d'application et types de navires

Nos méthodes d'analyse conviennent à une grande variété de types de navires et de domaines d'application, notamment :

• Navires de commerce (porte-conteneurs, pétroliers, vraquiers)
• Navires de travail et navires de ravitaillement offshore
• Ferries et navires à passagers
• Véhicules de recherche et spécialisés
• Bateaux de sport et yachts

Conclusion : Prédiction efficace des performances dans la conception moderne des navires

La combinaison d'une analyse précise des hélices basée sur la CFD et d'une analyse structurée des systèmes de propulsion constitue aujourd'hui le État de l'art dans la conception hydrodynamique des navires. Avec nos solutions logicielles open source, nous offrons aux ingénieurs navals et aux bureaux d'études un outil puissant, transparent et rentable – de la courbe de stabilité à la prédiction de performance finale.

Contactez-nous pour en savoir plus sur nos méthodes d'analyse et nos solutions logicielles, ou consultez nos études de cas et nos projets de référence.