Maillage de calcul pour CFD 3D

Le maillage de calcul pour une simulation CFD caractérise les points où les équations de l´écoulement seront résolues. La stabilité du calcul et la qualité des résultats dépendent fortement du type et de la qualité du maillage.
Le transfert de chaleur conjugué est l'influence mutuelle des champs de température des solides et de l'écoulement ; ceux-ci doivent être calculés ici simultanément pour cela la grille doit englober à la fois le fluide et les solides.

Maillage structuré suivant la géométrie

Les maillages structurés ont une topologie régulière ; les cellules sont placées régulièrement ce qui permet que les cellules puissent être indexées par des nombres entiers i,j et k.
Pour que le maillage soit adapté à la géométrie, les lignes du maillage doivent être placées sur le contour de la géométrie. Pour pouvoir générer le maillage du fluide, il faut d´abord générer le domaine de calcul du fluide, c´est-à-dire le volume situé entre les solides, en quelque sorte le négatif de la géométrie CAO. Ce volume doit être alors divisé en petites entités, que l'on appelle les cellules. Lorsque la qualité du maillage requiert la meilleure qualité, alors un maillage composé uniquement d'hexaèdres est nécessaire. Le domaine de calcul doit être divisé depuis le logiciel de géométrie ou le logiciel de maillage en blocs plus petits, qui seront eux-mêmes divisés en hexaèdres. 

Maillage structuré avec hexaédres
Maillage structuré avec hexaédres
Maillage non structuré avec tétraédres
Maillage non structuré avec tétraédres

Maillage non-structuré suivant la géométrie

Très développés depuis l´an 2000 sont aussi les codes numériques, qui sont basés sur un maillage non structuré, avec des triangles pour éléments de base (en 2D) ou bien des tétraèdres (en 3D).  Le logiciel génère de façon quasi-automatique des cellules qui suivent le contour de la géométrie. Pour des géométries complexes il devient très difficile de générer un maillage de tétraèdres de qualité ; si les cellules sont trop tordues ou trop plates elles peuvent empêcher d'obtenir une solution convergente. L'utilisateur doit dans ce cas intervenir et choisir manuellement les paramètres adéquats.
Une combinaison de tétraèdres et d'hexaèdres est aussi possible, ce qui permet de résoudre la couche limite avec des cellules très fines.

Mélange de maillages structuré avec hexaédres et non structuré avec tétraédres
Mélange de maillages structuré et non structuré
Maillage structuré cartésien

   Maillage structuré cartésien         

Les maillages non structurés nécessitent généralement beaucoup plus de mémoire vive que les maillages structurées et jusqu’à trois fois plus de puissance de calcul. De nouveaux logiciels commerciaux basés sur de nouveaux types de grilles comme les maillages cartésiens sont commercialisés environ depuis 2005. A cette époque, la société CD-adapco a décidé de ne plus améliorer son logiciel phare, Star-CD  et au lieu de cela de développer un tout nouveau logiciel: Star-CCM + basé sur un maillage avec des polyèdres.


Maillage cartésien

La meilleure alternative au maillage suivant la géométrie est le maillage cartésien.
Les logiciels utilisant ce procédé tel que FloEFD, FloTherm ou Solidworks Flow Simulation permettent des algorithmes de calcul plus corrects et plus efficaces. Comme la géométrie est directement immergée dans le maillage, les lignes de maillage ne peuvent pas être ajustées à une géométrie  non orthogonale.  Lorsque les limites des corps (en anglais “boundaries”) ne coïncident pas avec le maillage, des interpolations sont nécessaires pour compenser le décalage des limites du corps par rapport au maillage. L'algorithme de calcul performant lié à l'utilisation du maillage cartésien demeure conservé.    
Avec cette méthode appelée "Immersed Boundary Method" il est facile de simuler l'écoulement pour des géométries compliquées, car le maillage cartésien peut être généré indépendamment de la géométrie.

rotation et maillage mobile

Le domaine de rotation complet peut être défini grâce à un système de coordonnées tournant ; par exemple dans le cas de l’écoulement dans une pompe ou une turbo machine. Le connexion entre le domaine de rotation et l’extérieur se fait par une surface de mélange.   

Une méthode plus précise pour simuler la rotation est le maillage mobile. L’écoulement est calculé de façon instationaire avec la saisie d’incréments de temps ; le domaine de rotation change de position à chaque itération. Le temps de calcul est nettement plus long qu’avec la méthode du système de coordonnées tournant. Un maillage mobile est indispensable lorsque l’écoulement est estimé irrégulier le long de la circonférence du fait d’irrégularités de la géométrie ; c’est souvent le cas pour les ventilateurs radiaux. La méthode du maillage mobile est disponible avec la plupart des logiciels CFD.     


     Maillage cartésien mobile pour un ventilateur radial