Simulation d'écoulements à surface libre avec SOLIDWORKS Flow Simulation

On parle d'écoulement à surface libre lorsqu'un fluide interagit avec une limite ouverte, comme l'eau qui s'écrase sur une plage ou qui clapote dans un récipient en mouvement. Ce phénomène se produit généralement à l'interface entre des fluides non miscibles (liquides et air) et représente un véritable défi à prendre en compte dans vos conceptions.

SOLIDWORKS Flow Simulation nous permet de simuler ces scénarios, en rendant compte de l'interaction dynamique entre des fluides totalement insolubles l'un dans l'autre.

Comment SOLIDWORKS Flow Simulation gère les écoulements à surface libre

SOLIDWORKS Flow Simulation utilise la technique du volume de fluide pour modéliser les surfaces libres. Avec cette technique, on suit la fraction volumique du fluide, qui varie entre zéro et un. Dans un système diphasique, la fraction volumique du fluide serait égale à un, tandis que celle du gaz serait égale à zéro.

La fraction volumique de deux fluides

La surface libre se situerait à l'endroit où la fraction volumique du fluide passe de zéro à un. Pour déterminer cette valeur, le solveur SOLIDWORKS Flow Simulation résout un ensemble unique d'équations de quantité de mouvement et suit la fraction volumique de chacun des fluides non miscibles sur l'ensemble du domaine de calcul.

Considérations relatives aux fluides non newtoniens

L'écoulement à surface libre peut également être modélisé avec des fluides non newtoniens tels que l'huile, les boues ou le ketchup. Les fluides non newtoniens sont modélisés en partant du principe que la contrainte de cisaillement de l'écoulement est fonction du taux de cisaillement. Par exemple, la viscosité varie en fonction de la température, de la concentration ou de la contrainte de cisaillement.

Les combinaisons de fluides autorisées pour la simulation de surface libre sont les suivantes :

• Un gaz et un liquide
• Un fluide newtonien et un fluide non newtonien

Exemple de simulation d'un écoulement à surface libre

On peut illustrer l'écoulement à surface libre à l'aide d'un mélange d'huile d'olive et d'eau. Ces deux liquides peuvent être versés dans un récipient par deux ouvertures distinctes, puis s'écouler par un orifice de sortie commun.

Mise en place de l'étude

Dans cet exemple, les débits massiques d'entrée de chaque fluide sont fixés à 0,0001 kg/s, la gravité étant activée dans l'étude. De plus, nous devons définir des objectifs pour le volume et la fraction massique des deux fluides, ainsi qu'un débit massique global. Cela nous permettra de calculer le débit de mélange total et les débits globaux du système.

Considérations relatives aux mailles

Pour les études de simulation utilisant la fonctionnalité de surface libre, il est important de disposer d'un maillage fin. Le maillage doit être suffisamment fin pour rendre compte de l'interface entre les deux fluides non miscibles.

Différents niveaux de raffinement du maillage dans une étude d'écoulement

Une façon de déterminer si le maillage est suffisamment fin consiste à définir des objectifs permettant de mesurer la masse de chaque fluide et de garantir la conservation de la masse pour chacun des fluides utilisés dans le projet à surface libre. Il est possible d'effectuer plusieurs itérations du projet, en affinant le maillage à chaque itération jusqu'à ce que la conservation de la masse soit respectée avec une tolérance acceptable.

Résultats

Dans cet exemple, on observe un phénomène de diffusion numérique qui empêche l'apparition d'une limite nette ou bien définie entre l'huile et l'eau. Ce phénomène se produit généralement lorsque la durée de la simulation est trop longue, et le graphique semble alors montrer un mélange. On interprète cela comme de la « mousse numérique » à l'emplacement de la surface libre.

Graphique des résultats pour la fraction volumique de l'eau

Ce qu'il est impossible de simuler avec la simulation de surface libre

Bien que SOLIDWORKS Flow Simulation soit un excellent outil pour les études de fluides dans vos conceptions, il existe certaines applications dans lesquelles vous devrez repenser votre approche afin de modéliser avec précision les écoulements à surface libre.

• Aucun changement de phase n'est pris en compte
• La tension superficielle n'est pas prise en compte
• Les applications à grande vitesse ne sont pas recommandées pour les calculs de surface libre

Simulation de l'écoulement à surface libre de l'eau en mouvement dans un réservoir

Autres applications de l'écoulement à surface libre

Les applications recommandées pour les études de surface libre dans SOLIDWORKS Flow Simulation comprennent :

• Mouvements de balancement du fluide dans un réservoir
• Vidange ou remplissage d'un réservoir
• La traînée sur les navires ou autres grandes embarcations
• Débordement des barrages
• Études sur les fluides à faible tension superficielle
• Jets continus de fluides

Pour en savoir plus sur SOLIDWORKS Flow Simulation, cliquez ici.