Micro Systèmes n°93 janvier 1989
Micro Systèmes n°93 janvier 1989
  • Prix facial : 30 F

  • Parution : n°93 de janvier 1989

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : Société Parisienne d'Edition

  • Format : (203 x 271) mm

  • Nombre de pages : 182

  • Taille du fichier PDF : 160 Mo

  • Dans ce numéro : systèmes experts et psychologie cognitive.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Calcul en fluide parfait, à l'Onera, de l'écoulement autour de l'ensemble Ariane 5-Hermès. Carte des pressions (doc. Onera). Simulation numérique, à l'Onera, de la répartition de pression sur l'avion spatial Hermès en régime hypersonique (doc. Onera). d'un moteur, et une méthode de calcul prévoit les performances. Il y a, d'autre part, une approche conception ou design, où, en revanche, on va utiliser le code de calcul pour définir la géométrie, celle d'un nouveau moteur, par exemple. Prenons le cas des codes Euler. Ce sont des programmes de calcul qui résolvent les équations d'Euler, des simplifications des équations Navier-Stockes, lesquelles régissent les écoulements, y compris les phénomènes visqueux. Les équations d'Euler négligent la viscosité, parce qu'on n'est pas capable de résoudre les équations de Navier-Stockes. Depuis une dizaine d'années, grâce aux ordinateurs, on a pu résoudre ces équations d'Euler en tridimensionnel. Ce travail transféré à la Snecma, celle-ci a pu l'utiliser pour définir le fan du compresseur, et cela a joué un rôle notamment dans la conception du CFM 56 développé et industrialisé pour moitié par la Snecma et pour moitié par General Electric. De même, la coopération de l'Onera et 112 — MICRO-SYSTEMES de l'Aerospatiale a permis, il y a plusieurs années déjà, d'obtenir pour une nouvelle génération d'hélicoptères un gain sur les rotors de 20% en rendement. En effet, on avait pu adopter un nouveau profil de pales, mis au point par l'Onera et l'Aerospatiale sur la base du code de calcul développé par l'Office, profil d'ailleurs baptisé OA, sigle évoquant les deux organismes. Les progrès considérables accomplis ces dernières années dans le domaine de la simulation numérique ont été rendus possibles grâce à l'entrée en jeu d'ordinateurs puissants comme les Cray, plus rapides et dotés de mémoires importantes. Les écoulements étudiés sont tridimensionnels, ce qui était impossible il y a dix ans. En plus, il faut traiter des écoulements visqueux et instationnaires. Autrefois, on négligeait l'aspect instationnaire et on ne raisonnait que sur des moyennes. Maintenant, on commence à pouvoir mettre en évidence ces phénomènes instationnaires. Si l'on passe au domaine des chambres de combustion, on rencontre tous les problèmes de cinétique chimique, de calcul d'écoulements en réaction. Ce domaine est encore loin d'être complètement exploré. Les phénomènes thermiques posent des questions d'aéroélasticité, de flottement. Il y a une réaction entre le champ aérodynamique, champ exercé sur les aubages qui se mettent à bouger, et les matériaux mis en oeuvre. Dans ce domaine, la simulation numérique va trouver un large champ d'action. C'est l'avenir de la discipline. Actuellement, les calculs d'aérodynamique supposent des aubages indéformables. Dans les écoulements tridimensionnels, la discrétisation impose de procéder à un maillage. Si on veut obtenir des résultats précis, on est obligé d'augmenter le nombre de mailles. Quand on est en tridimensionnel, pour doubler le nombre de mailles dans trois directions, on a besoin de multiplier par huit le nombre de noeuds du maillage. Et, en chaque point du maillage, on mesure un certain nombre de paramètres/caractéristiques : la vitesse, la température, la pression, et deux angles. On a donc besoin de beaucoup de mémoire pour effectuer ces traitements. Si on veut faire un calcul dans un canal, en tenant compte de la viscosité en tridimensionnel, il faudrait utiliser dans les 600 000 points, décomposer le domaine calculé en 600 000 petits cubes. D'où le caractère indispensable de la simulation. Il est évidemment impensable, avant très longtemps, de faire un calcul pour une machine complète : on sépare, on cloisonne un domaine du compresseur, mais on ne peut pas calculer un ensemble complet. Ensuite, on travaille séparément sur la chambre de combustion, sur la turbine. Les 600 000 points évoqués plus haut ne concernent que le calcul d'un aubage. L'objectif de la simulation, c'est de pouvoir progressivement prendre en compte des domaines élargis en allant vers une globalité. Mais alors la recherche est tributaire de la puissance des moyens mis en oeuvre. Dans une roue de compresseur, les aubes sont à peu près toutes identiques. Il suffit de faire le calcul entre deux de ces ailettes dans le canal. Mais si on considère une roue mobile, avec derrière une roue fixe, un redresseur, il n'y a pas le même nombre de canaux — pour des questions de résonance, d'acoustique, de vibration — dans la roue mobile et dans la roue fixe. Si on considère l'ensemble, on ne peut plus avoir recours à l'hypothèse simplificatrice, puisque l'écoulement dans les différents canaux ne va plus être le même, à un instant donné. On devrait donc faire les calculs à la fois dans tous les canaux de la roue mobile et dans ceux du redresseur. Donc, bien que les calculs soient de plus en plus performants, on est obligé de faire un certain nombre d'approximations, de simplifications pour représenter la réalité. On est encore très loin — ne serait-ce qu'à cause de l'insuffisance des ordinateurs — de pouvoir faire globalement des Janvier 1989
calculs rigoureux, essentiellement pour des questions de temps de calcul et de mémoire. Les trucs ou astuces utilisés pour se rapprocher de la réalité, ce sont les modèles. L'ingénieur voyeur L'évolution des moyens de calcul conduit à un certain nombre de difficultés au niveau de l'interprétation des résultats. A une époque où on obtenait peu de résultats, on pouvait tracer des courbes sur papier millimétré. Mais l'utilisation d'ordinateurs du genre Cray amène une quantité phénoménale de résultats qu'il est impossible de traiter par des moyens classiques. On est donc amené à employer des moyens d'exploitation graphique, sur écran, ou, quand il y a des phénomènes instationnaires, d'utiliser l'animation des résultats. L'ingénieur a écrit sa méthode de résolution - qui peut emplir la mémoire d'un Cray. Il va en sortir une quantité importante de résultats pour les cinq paramètres évoqués, en fonction du temps. A chaque pas de temps, il y a 600 000 points avec les cinq paramètres. On doit donc, d'une part, effectuer une réduction des données, et, d'autre part, avoir recours à une appli- cation graphique qui va traduire ces résultats en une image sur écran. Une équipe de l'Onera a été amenée à écrire des programmes graphiques. Pour prendre un exemple simple, si vous considérez un comprèsseur, le fan du CFM 56, il est destiné à fournir un écoulement avec un certain taux de compression, et un certain débit. A la fin du calcul, il faut donc faire une sommation de tous les petits éléments considérés pour avoir le débit total de la machine, et obtenir le taux de compression et le débit. Donc réduire les 600 000 points à deux informations. Si l'on veut avoir des informations fines, la visualisation intervient, et de même l'animation quand on fait de l'instationnaire. En simulation numérique, pourquoi ne pas parler de SimAO comme on l'a fait pour la CAO ? La mécanique des fluides est souvent constituée de problèmes à échelles multiples. La simulation implique que l'on n'a pas pris en compte les équations les plus complexes du phénomène ou que la discrétisation spatiale, qui est utilisée et qui est limitée par les ordinateurs disponibles, ne permet pas d'avoir calculé l'écoulement dans ses moindres détails. A une échelle fine, on a introduit des hypothèses simplificatrices. DOSSIER La chute des corps : x = 71 gt 2, Est-ce de la simulation ou pas ? Oui et non. On ne tient pas compte de la résistance de l'air quand le corps chute. Donc : 1 2 gt n'est qu'une forme d'approximation, c'est de la simulation. Ou bien vous mettez tout ce qui permet de modéliser mathématiquement la totalité du phénomène, et dans ce cas ce n'est pas de la simulation. Ou dans l'autre cas, on ne sait pas faire, et c'est une simulation. C'est pareil en soufflerie. Naturellement, les effets de paroi, les corrections ne sont pas dans les conditions de vol. On s'en approche seulement. A l'Onera, les essais en soufflerie et le calcul se sont développés parallèlement. Il n'y a pas eu diminution des moyens expérimentaux au fur et à mesure du développement de la simulation numérique. La soufflerie transsonique européenne est en construction. On développe une soufflerie hypersonique pour le programme Hermès. Tout le parc antérieur est maintenu et enrichi d'équipements nouveaux. Mais aussi, les modèles mathématiques qui sont élaborés pour les calculs ne surgissent pas ex Etude, à l'Onera, de la stabilité de combustion du moteur Viking (étage 1 et 2 des lanceurs Ariane 1 à 4). Simulation numérique de la combustion d'une goutte d'UDMH dans des gaz en mouvement (carte des températures à l'extérieur et à l'intérieur de la goutte) (doc. Onera). Janvier 1989 MICRO-SYSTEMES - 113



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