Comment utiliser les simulations de particules sur 3DEXPERIENCE

Les particules, qu'il s'agisse de gouttelettes liquides, de bulles ou de solides, interagissent avec les écoulements de fluides de manière complexe. Ces interactions ont une incidence sur les performances, l'efficacité et la sécurité des produits.

La compréhension du comportement des fluides à l'aide de simulations de particules revêt une importance cruciale pour des secteurs allant de l'automobile et de l'aérospatiale à l'industrie pharmaceutique et aux biens de consommation.

Qu'est-ce qu'un ingénieur en dynamique des fluides ?

Le rôle d'ingénieur en dynamique des fluides (FMK) sur la plateforme 3DEXPERIENCE comprend des fonctionnalités d'injection et d'analyse de particules dans le cadre de simulations de dynamique des fluides. Cette fonctionnalité permet aux ingénieurs de simuler le suivi lagrangien des particules afin d'analyser le comportement des écoulements de fluides chargés de particules.

De quoi a-t-on besoin pour mener une étude sur les particules ?

Dans tout logiciel de simulation d'écoulement de fluide impliquant des particules, il est nécessaire de définir la source d'injection des particules ainsi que le modèle de particules. Il est possible d'activer les effets thermiques afin de prendre en compte l'échauffement ou le refroidissement des particules lagrangiennes sous l'effet de l'écoulement du fluide.

• Source d'injection de particules: l'application « Création de scénarios fluides » du rôle « Ingénieur en dynamique des fluides » comprend une option permettant de spécifier une source d'injection de particules, qui définit un emplacement, tel qu'une surface, où les particules lagrangiennes pénètrent dans la zone fluide.
• Modélisation des particules: les particules lagrangiennes peuvent être définies comme étant sans masse ou dotées d'une masse. Les particules sans masse se déplacent le long des lignes de courant ; lorsqu'une masse leur est attribuée, leur trajectoire est soumise à la traînée, à la gravité, à la pression et aux forces liées à la masse virtuelle. Dans le cas de simulations impliquant des particules de très grande taille, les effets du mouvement des particules peuvent également influencer la quantité de mouvement et l'énergie du champ d'écoulement.

Un exemple d'application des études sur les particules

Dans l'exemple ci-dessous, une analyse des écoulements transitoires a été réalisée pour un séparateur à cyclone utilisé pour séparer les particules de l'air pollué. Ces séparateurs sont très répandus dans diverses applications industrielles, car ils comportent peu de pièces mobiles et ne comportent pas de filtres mécaniques.

Énoncé du problème concernant un séparateur à cyclone

Pour une étude sur un séparateur à cyclone :

• L'air pénètre dans le séparateur cyclonique à une vitesse tangentielle d'environ 10 m/s et crée un tourbillon à grande vitesse à l'intérieur du corps du séparateur. Ce tourbillon entraîne les particules légères vers la sortie.
• Les particules les plus lourdes viennent heurter les parois du corps du séparateur, perdent progressivement leur vitesse et tombent dans le dépoussiéreur.
• Aux fins de la simulation, on suppose que le séparateur à cyclone évacue les gaz à la pression atmosphérique.
• Pour analyser les performances du séparateur, les indicateurs clés de performance suivants sont évalués : la perte de charge entre l'entrée et la sortie du séparateur, le rendement du séparateur, ainsi que la visualisation du noyau du vortex et du profil de vitesse.

Autres aspects à prendre en compte pour les simulations de particules sur 3DEXPERIENCE

Pour analyser un séparateur cyclonique dans Fluid Dynamics Engineer, on recourt à une étude transitoire utilisant une approche par maillage afin de modéliser avec précision le volume d'écoulement. L'air sera utilisé comme fluide en suspension des particules, à l'instar des situations réelles.

Temps d'étude

De plus, afin de garantir la précision des valeurs d'efficacité de séparation, la durée totale d'une simulation de flux de particules transitoire doit être supérieure au temps de séjour moyen des particules. Le temps de séjour correspond à la durée pendant laquelle une particule reste à l'intérieur du séparateur à cyclone avant de sortir par la sortie ou d'être piégée dans le dépoussiéreur.

Approche basée sur les maillages

La méthode basée sur un maillage pour définir le volume d'écoulement exige que les utilisateurs sélectionnent une zone d'écoulement pour les composants à analyser et identifient les ouvertures d'écoulement.

Définition d'une particule

Pour définir le comportement de l'air et des particules circulant dans le séparateur, l'option « Comportement physique » est sélectionnée. Cela permet aux utilisateurs d'activer la modélisation des particules afin de définir leurs propriétés, leurs profils (qu'elles soient sans masse ou dotées d'une masse) et leurs interactions.

Définition des paramètres de l'étude de simulation de particules

Le comportement physique d'un écoulement de fluide tient compte à la fois des effets de diverses conditions environnementales sur le fluide et des propriétés physiques intrinsèques du fluide lui-même.

Conditions aux limites

Les conditions aux limites comprennent la vitesse de l'air et celle des particules à l'entrée du séparateur à cyclone.

Les particules perdent progressivement leur vitesse car elles entrent en collision avec les parois du séparateur cyclonique et entre elles. Certaines particules tombent dans le dépoussiéreur situé au fond.

Injection de particules

Il faut définir une source d'injection de particules pour réguler le débit massique des particules en suspension.

Accéder à la commande « Source d'injection de particules »

Ces sources peuvent définir diverses caractéristiques du flux de particules, notamment :

• Un profil d'injection décrit le flux de particules en termes de masse totale des particules ou de nombre spécifique de particules sur une période donnée.
• Définir le profil granulométrique pour obtenir une granulométrie uniforme ou variable de manière aléatoire dans une plage de tailles donnée ; il peut suivre une distribution linéaire ou logarithmique, y compris une distribution de Rosin-Rammler.
• La vitesse des particules peut être une vitesse absolue ou une vitesse relative par rapport au flux du fluide au point d'injection.
• Température des particules pour les simulations de transfert thermique.
• Taille des paquets, un paquet étant un ensemble de particules partageant les mêmes propriétés physiques. Lorsque la taille des paquets est relativement importante, la simulation regroupe davantage de particules afin d'améliorer les performances.

Configuration d'une source d'étude des particules

Modélisation précise des études sur les particules

Les fonctionnalités de simulation de particules de 3DEXPERIENCE constituent un outil précieux pour les ingénieurs en fluidique qui doivent effectuer des calculs courants en matière de dynamique des fluides et de thermique. En associant des techniques de simulation avancées à une plateforme collaborative, elles permettent d'accélérer l'innovation produit et de garantir des conceptions de haute qualité.

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