La modélisation d'un foil, qu'il s'agisse d'une aile d'avion, d'une pale d'hélice ou d'un hydrofoil, est une étape fondamentale dans de nombreux domaines de l'ingénierie. Ce guide complet explore les techniques de création de géométries de foils complexes et la mise en œuvre de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) à l'aide de SolidWorks. L'objectif est de fournir une compréhension pratique de la façon dont les profils aérodynamiques interagissent avec l'écoulement des fluides, une pratique essentielle pour ceux qui s'intéressent à la mécanique des fluides numérique.
Préparation des Données de Profil de Foil
Pour initier la modélisation d'un foil, la première étape cruciale consiste à obtenir les données de son profil. Ces données, typiquement sous forme de coordonnées, définissent la forme bidimensionnelle du profil.
Pour obtenir un profil tel que l'AG455ct, il est possible de le rechercher en ligne. Une recherche Google pour "AG455ct airfoiltools" devrait, de manière fiable, afficher la page airfoiltools. Ensuite, nous voudrons télécharger un fichier décrivant les points de la section transversale de notre profil aérodynamique. Il faut cliquer sur "Send To Airfoil Plotter", puis modifier les paramètres pour qu'ils correspondent aux dimensions du profil souhaité. Enfin, un clic sur "CSV file of coordinates" permet de télécharger les coordonnées.
Une fois le fichier CSV téléchargé, il est nécessaire de l'ouvrir dans un éditeur de texte. Nous copierons toutes les données de la surface du profil dans un fichier texte séparé. Il est impératif d'ajouter une colonne de zéros supplémentaires, ce qui signifie qu'il faut ajouter ",0.0" à la fin de chaque coordonnée X,Y pour obtenir un format XYZ adapté à SolidWorks, puisque SolidWorks utilise une structure de points tridimensionnelle pour définir les courbes spatiales. Il est également possible d'ouvrir directement le fichier de coordonnées .dat si le profil est déjà disponible dans ce format. Si on le souhaite, on peut supprimer l'épaisseur du bord de fuite directement dans les outils de conception en allant dans "Design->Set T.E.".
Création de la Géométrie du Profil de Foil dans SolidWorks
Une fois les données du profil préparées, la création de la géométrie dans SolidWorks peut commencer. Cette étape est la fondation de toute analyse ultérieure.
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Pour commencer, il faut lancer Solidworks et créer une nouvelle pièce. Ensuite, l'insertion de la courbe du profil se fait en allant dans Insertion > Courbe > Courbe passant par des points XYZ. Cette option est conçue pour permettre l'importation des données de profil aérodynamique que nous utiliserons. Il suffit de cliquer sur Parcourir, de sélectionner les fichiers texte, puis de charger le fichier de données de profil NACA fourni. Vous pouvez utiliser ce fichier de données pour vous assurer que nous simulons tous le même profil aérodynamique. Après le chargement du fichier, SolidWorks va automatiquement remplir les points et générer la courbe du profil. En zoomant, vous remarquerez que le profil est actuellement à un angle d'attaque de 0 degré, ce qui signifie qu'il n'est pas incliné.
Il est essentiel de fermer la boucle du contour du profil. Pour ce faire, utilisez l'outil Ligne afin de relier les extrémités du profil. Cette étape est cruciale car elle complète la géométrie requise pour la simulation et assure que le profil est une entité fermée. Si les coordonnées du profil ont été ajustées pour que la longueur soit exactement de 1, cela simplifie les calculs et les mises à l'échelle ultérieures.
Pour modifier l'angle d'attaque, sélectionnez "Déplacer les entités" et choisissez "Faire pivoter les entités". Utilisez l'origine comme point de rotation et faites pivoter le profil à un angle de 10 degrés pour notre simulation. Cela représente un angle d'attaque de 10 degrés, ce qui est courant dans les tests de profils aérodynamiques. Après avoir exporté le profil avec les modifications, il faut entrer le nom du profil et valider par "Entrer".
Modélisation d'une Aile en 3D
Au-delà de la simple création d'un profil 2D, SolidWorks permet de modéliser des ailes entières en 3D, avec des caractéristiques plus complexes comme un bord d'attaque (BA) et un bord de fuite (BF) elliptiques.
Une méthode pour modéliser une aile en 3D avec un BA et un BF elliptique débute souvent par des travaux de surface. Dans ce tutoriel, nous allons utiliser une pièce que nous avons créée précédemment, dénommée surf05. Nous commencerons par enregistrer une copie sous le nom de surf06. Ensuite, nous créerons une esquisse sur le plan de dessus et dessinerons un rectangle centré avec des coins arrondis. Après validation de l'esquisse, nous utiliserons les commandes de surfacique restreinte et courbe projetée pour projeter notre esquisse sur une surface existante. Nous finaliserons avec la commande épaissir pour donner de l'épaisseur à notre objet, transformant ainsi la surface en un solide.
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Pour une modélisation plus détaillée d'une aile, on peut éditer une esquisse sur le "Plan de dessus" et tracer la géométrie de l'aile. Il s'agit de définir l'envergure et la forme générale de l'aile. Ensuite, éditer une nouvelle esquisse sur le "Plan de dessus" pour affiner la géométrie ou ajouter des détails. Il est judicieux de fermer et de renommer cette esquisse en "BA" par exemple, pour le bord d'attaque, et de faire de même pour les courbes formant le bord de fuite, afin de mieux organiser le projet.
Pour définir les extrémités de l'aile, il faut éditer une nouvelle esquisse sur le "Plan de dessus" et sélectionner l'outil "Point", puis placer un point à l'extrémité de l'aile. Ces points serviront de guides pour les opérations de lissage.
Ensuite, éditer une esquisse sur le "Plan de face" et sélectionner la courbe du profil précédemment créée. Cliquer ensuite sur "Convertir les entités". Cela projette le profil 2D sur le plan de face, le rendant utilisable pour les fonctions 3D.
L'insertion de profils intermédiaires est cruciale pour des ailes aux formes complexes. Pour cela, sélectionner le "Plan de face" et aller dans Insertion > Géométrie de référence > Plan. Cela permet de créer des plans supplémentaires à différentes distances le long de l'envergure de l'aile, sur lesquels d'autres profils peuvent être esquissés ou convertis. Une fois les profils nécessaires créés, il peut être nécessaire de supprimer le premier profil (souvent affiché en noir, représentant le profil initial ou un guide temporaire) si son rôle est achevé ou si un profil plus précis a été inséré à sa place.
Pour générer la forme 3D de l'aile, cliquer sur la fonction "Bossage/Base lissé". Il faut sélectionner tous les profils un à un dans l'ordre, sans oublier le point à l'extrémité de l'aile. Cette fonction crée une surface ou un solide en interpolant entre les différents profils et points sélectionnés.
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Enfin, pour créer une aile symétrique, sélectionner le "Plan de face" ainsi que la ligne de construction (si une ligne médiane a été utilisée) et aller dans Insertion > Géométrie de référence > Plan pour créer un plan de symétrie. Ensuite, sélectionner le nouveau plan et cliquer sur la fonction "Symétrie" pour refléter la moitié de l'aile et créer la géométrie complète. SolidWorks permet également de connaître à l'avance la masse des noyaux d'aile, une astuce utile pour l'estimation du poids et du centrage.
Simulation CFD d'un Écoulement autour d'un Foil avec SolidWorks Flow Simulation
Une fois la géométrie du foil créée, la prochaine étape logique est d'analyser son comportement en présence d'un fluide. SolidWorks Flow Simulation offre des outils puissants pour la simulation CFD, permettant de comprendre comment l'air interagit avec un profil aérodynamique.
Cet exercice est un excellent moyen d'approfondir les bases de la dynamique des fluides numérique et d'appliquer ce que vous avez appris jusqu'à présent. Ce tutoriel vous donnera également une compréhension pratique de la façon dont les profils aérodynamiques interagissent avec l'écoulement des fluides, ce qui en fait une pratique essentielle pour ceux qui suivent un cours de dynamique des fluides numérique.
Étape 1 : Création de la Géométrie du Profil NACA
Pour la simulation CFD, nous avons besoin de la géométrie du profil. Nous utiliserons les données du profil aérodynamique NACA pour ce projet. Comme mentionné précédemment, la création de la géométrie implique de créer un nouveau fichier pièce, d'insérer la courbe du profil via "Insertion > Courbes > Courbe passant par des points XYZ", de charger le fichier de données NACA et de fermer le contour du profil à l'aide de l'outil Ligne. Il est également nécessaire de définir l'angle d'attaque en utilisant "Déplacer les entités" et "Faire pivoter les entités", en choisissant l'origine comme point de rotation et en faisant pivoter le profil, par exemple, à un angle de 10 degrés pour notre simulation. Cela représente un angle d'attaque de 10 degrés, ce qui est courant dans les tests de profils aérodynamiques.
Étape 2 : Configuration de la Simulation d'Écoulement
Maintenant que la géométrie du profil aérodynamique est configurée, nous sommes prêts à passer à la CFD à l'aide de SolidWorks. Cela inclura la configuration des conditions aux limites, des paramètres d'écoulement et du maillage.
Pour commencer, lancez l'Assistant de simulation d'écoulement (Flow Simulation Wizard) et nommez le projet, par exemple, "Analyse de l'Angle d'Attaque". Pour cette simulation, nous utiliserons un écoulement externe, car nous simulons l'air s'écoulant autour du profil aérodynamique. Nous le configurerons également comme une simulation dépendante du temps (ou simulation transitoire), où nous exécuterons la simulation pendant 5 secondes et obtiendrons des résultats toutes les 1 seconde. Cela nous permettra de suivre le développement de l'écoulement au fil du temps.
Le fluide de travail est l'air. Nous allons définir la vitesse de l'écoulement le long de l'axe X à 600 m/s, ce qui représente un flux d'air à grande vitesse sur le profil aérodynamique. Comme nous nous concentrons sur le plan XY pour cette simulation, nous exécuterons une simulation 2D en négligeant les gradients le long de l'axe Z. Cette simplification accélère le processus sans compromettre la précision pour ce type d'analyse.
Étape 3 : Définition du Domaine de Calcul
Après avoir défini le projet, l'étape suivante consiste à ajuster le domaine de calcul. Faites un clic droit sur le domaine et cliquez sur "Modifier la définition". Ajustez la taille du domaine pour vous assurer que l'écoulement a suffisamment d'espace pour se développer correctement. Une règle courante est de laisser au moins 10 à 15 fois la longueur de la corde entre le profil et la limite de sortie.
La région derrière le profil aérodynamique, connue sous le nom de région de sillage, doit être suffisamment longue. Assurez-vous que la limite de sortie est placée suffisamment loin du profil aérodynamique (au moins 10 à 15 fois la longueur de la corde) pour capturer avec précision la séparation de l'écoulement et les effets de sillage.
Étape 4 : Définition des Objectifs Globaux et de Surface
Les objectifs nous aident à suivre les caractéristiques importantes de l'écoulement, telles que les forces agissant sur le profil aérodynamique. Pour cette simulation, nous nous concentrerons sur la force de traînée et la force de portance.
Tout d'abord, nous suivrons la force totale le long de l'axe X (force de traînée) et de l'axe Y (force de portance). Ces objectifs globaux nous aident à surveiller les forces globales agissant sur le profil aérodynamique. Ensuite, faites un clic droit sur la surface du profil aérodynamique et définissez les mêmes objectifs, en intégrant la force le long des axes X et Y pour la surface du profil aérodynamique. Cela aidera à calculer les coefficients de portance et de traînée, qui sont essentiels pour l'analyse aérodynamique.
Étape 5 : Configuration du Maillage
Un maillage bien défini est crucial pour des simulations CFD précises à l'aide de SolidWorks. Pour les problèmes d'écoulement externe, l'affinage du maillage près de la surface du profil aérodynamique est essentiel, car il capture plus précisément les effets de couche limite et la séparation de l'écoulement.
Commencez par afficher le maillage de base, ce qui donne un aperçu de la distribution des cellules dans le domaine. Insérez un affinement local du maillage spécifiquement autour du profil aérodynamique. Cet affinement local du maillage assure des cellules plus petites près de la surface, offrant une meilleure résolution de la couche limite et d'autres régions d'écoulement critiques. SolidWorks utilise un maillage cartésien à cellules coupées par défaut. Bien que ce ne soit pas le plus idéal pour les écoulements externes, il fonctionne bien pour les simulations de base. Un affinement supplémentaire du maillage améliorerait la précision des résultats près du profil aérodynamique.
Étape 6 : Lancement de la Simulation
Une fois le maillage configuré, vous êtes prêt à lancer la simulation. Cliquez sur "Exécuter" et utilisez tous les processeurs disponibles pour un calcul plus rapide. Au fur et à mesure que la simulation progresse, vous pouvez surveiller l'évolution des champs de pression et de vitesse en temps réel.
Portez attention à la convergence des paramètres clés, tels que la force de traînée et la force de portance, vers des valeurs stables. Bien que les résidus soient un bon indicateur de la précision de l'équation, l'observation du comportement des quantités physiques comme la portance et la traînée est un moyen plus fiable d'évaluer la convergence.
Étape 7 : Analyse des Résultats
Une fois la simulation terminée, il est temps d'analyser les résultats. SolidWorks vous permet de visualiser les données à l'aide de tracés de coupe et de tracés d'objectifs.
Insérez des tracés de coupe le long du plan XY pour visualiser les variables clés comme l'amplitude de la vitesse et la distribution de la pression. Ces tracés offrent un aperçu détaillé du comportement de l'écoulement autour du profil aérodynamique. Pour obtenir des tracés de contour plus lisses, augmentez le nombre de segments de couleur. Cet ajustement rendra le tracé plus facile à interpréter.
Analysez les forces de portance et de traînée. Examinez les forces intégrées à la surface le long des axes X et Y. Celles-ci représentent la force de traînée et la force de portance agissant sur le profil aérodynamique. Vous pouvez calculer les coefficients de portance et de traînée en fonction de ces valeurs, qui sont cruciaux pour évaluer les performances aérodynamiques du profil.
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