Qu'est-ce que l'interaction fluide-structure ?

L'interaction fluide-structure (FSI) décrit tout phénomène dans lequel un fluide en écoulement interagit avec une structure solide mobile ou déformable. Les forces exercées par l'écoulement de fluide, sous forme de pression ou de force de cisaillement, peuvent entraîner une modification de la forme de l'objet solide ou un déplacement de corps rigide. À leur tour, les modifications de forme ou de mouvement d'un objet solide peuvent modifier le champ d'écoulement du fluide. La FSI est un type d'interaction multiphysique impliquant la dynamique des fluides et la mécanique des solides.

Les ingénieurs utilisent des outils de simulation et des tests pour étudier l'interaction fluide-solide et comprendre les interactions réelles de leurs produits lorsque des fluides circulent autour ou à travers eux. Ces interactions peuvent affecter les performances des produits qu'ils conçoivent ou entretiennent, ainsi que leur robustesse si les déformations deviennent trop importantes ou se produisent trop fréquemment. Le bruit d'air d'une voiture qui passe, le mouvement de haut en bas des ailes d'un avion commercial en vol ou la façon dont le cœur pompe le sang sont autant d'exemples de FSI dans le monde réel. Dans les cas graves, le FSI peut entraîner une défaillance structurelle, des blessures ou la mort. L'effondrement du pont Tacoma Narrows en 1940 dû à un flottement aéroélastique et l'effondrement des tours de refroidissement de la centrale électrique de Ferrybridge en 1965 dû à des turbulences du vent sont deux exemples bien connus. Une forme plus courante de FSI pouvant entraîner une défaillance est le coup de bélier, un claquement bruyant causé par une pression d'eau soudaine dans les tuyaux.

Les ingénieurs associent des outils logiciels de dynamique des fluides numérique (CFD) et d'analyse par éléments finis (FEA) pour créer des modèles de FSI qui prédisent le comportement de ces deux domaines lorsque des charges sont transférées à travers l'interface fluide-solide ou lorsque des changements de forme ou d'emplacement de l'interface fluide-solide se produisent. L'utilisation de l'analyse FSI augmente en raison des améliorations apportées aux algorithmes de couplage ainsi qu'aux performances de calcul. 

Le type de FSI subi par un système dépend du type de déformation structurelle subie par l'objet solide et de l'intensité avec laquelle chaque aspect physique affecte les autres aspects physiques du système. 

Couplage unidirectionnel et bidirectionnel dans l'interaction fluide-structure

Les études de FSI impliquent le transfert de forces d'un fluide à un solide, ainsi que les changements dans les caractéristiques physiques des deux domaines découlant de leur interaction. Les ingénieurs divisent le couplage en deux catégories :

• Couplage FSI unidirectionnel

Le type le plus courant de couplage FSI unidirectionnel, également appelé couplage faible, se produit lorsqu'un système transfère les forces de l'écoulement de fluide vers le solide, mais que la réponse du solide a un impact négligeable sur le comportement de l'écoulement de fluide. Cela est généralement dû au fait que la distance de déformation du solide est faible par rapport au volume de fluide à l'origine de la déformation. L'aileron d'une voiture de course est un bon exemple de couplage FSI unidirectionnel. Le flux d'air sur l'aileron crée un appui aérodynamique, mais l'aileron est suffisamment rigide pour que ces forces ne modifient pas sa forme.

La FSI unidirectionnelle peut également se produire lorsque le déplacement d'un objet transmet ou extrait du mouvement d'un fluide, modifiant la vitesse et la pression du domaine fluide sans créer de changements notables dans la forme ou le déplacement de l'objet à travers le fluide environnant. Un ventilateur électrique illustre bien ce phénomène. Le mouvement des pales du ventilateur augmente la vitesse de circulation de l'air à travers le ventilateur sans modifier de manière significative la forme des pales.

Une simulation FSI unidirectionnelle applique la pression et les forces de cisaillement issues d'une simulation CFD résolue au niveau de l'interface fluide-solide d'un modèle structurel FEA, puis résout les contraintes et les déformations dans le domaine structurel, ou bien la vitesse du solide au niveau de l'interface fluide-solide est utilisée comme condition limite pour le modèle CFD. Dans les deux cas, la force ou la vitesse ne se déplace que d'un domaine à un autre.

• Couplage FSI bidirectionnel

La forme la plus courante de couplage FSI bidirectionnel, souvent appelée couplage fort, se produit lorsque les forces du domaine fluide sur l'objet solide provoquent une déformation suffisante de ce dernier pour modifier la pression ou la vitesse du fluide. Ces changements modifient ensuite les forces du fluide, qui modifient la déflexion et le mouvement, et, à leur tour, modifient l'écoulement.

Une simulation FSI bidirectionnelle utilise des algorithmes pour transférer la déformation de l'objet solide vers le modèle CFD. Parfois, lorsque ces changements sont suffisamment importants, le maillage des domaines fluides se déforme et n'est plus valide. Le logiciel utilise alors un processus automatisé appelé remaillage pour refaire le maillage. Dans les cas les plus extrêmes, la topologie du domaine fluide change à mesure que les passages s'ouvrent ou se ferment.

Les simulations bidirectionnelles peuvent utiliser deux méthodologies différentes pour les itérations entre les solutions des solveurs CFD et FEA à mesure que le modèle évolue dans le temps. Dans l'approche explicite ou séquentielle, les charges et les déformations ne sont transférées qu'une seule fois par pas de temps. L'approche implicite ou simultanée résout simultanément les simulations de fluides et structurelles, échange les charges et les déformations, puis résout à nouveau au même pas de temps jusqu'à ce que la solution converge. Le système passe ensuite au pas de temps suivant.

La méthode explicite est plus simple à mettre en place et utilise moins de ressources informatiques, car il n'y a qu'une seule résolution par itération. Cependant, elle est moins stable que la méthode implicite et les modèles peuvent diverger. La plupart des ingénieurs choisissent la chaîne de simulation implicite lors de la modélisation de systèmes fortement couplés et de la recherche d'une plus grande précision que la méthode explicite.

Types de déformation structurelle

Une autre manière pour les ingénieurs de catégoriser les problèmes d'interaction fluide-structure consiste à identifier le type de déformation que subit le domaine structurel. Les utilisateurs d'outils de simulation exploitent ces informations afin de déterminer les approches de modélisation appropriées et les algorithmes à utiliser pour l'échange de données entre les solveurs CFD et FEA.

Les types de déformation les plus courants sont les suivants :

• Petite déformation

Les modèles avec de petits déplacements de domaine structurel utilisent la simulation unidirectionnelle. Cette approche consiste à résoudre d'abord le modèle CFD, puis à appliquer les forces au modèle structurel. Cette situation ne nécessite pas de modification de la forme de l'interface fluide-structure.

• Petites vibrations

Parfois, les oscillations de l'écoulement de fluide exercent de petites forces cycliques sur une surface flexible de la partie structurelle du système, et la partie solide réagit par vibration. Cette vibration génère ensuite des ondes sonores qui traversent le fluide sans modifier les caractéristiques générales du débit. Les ingénieurs en aérodynamique appellent ce type d'interaction fluide-structure « interaction acoustique-structure » (ASI).

En hydrodynamique, une onde de pression peut résonner dans un tuyau ou un conduit, provoquant des vibrations dans les composants solides. Cette oscillation est appelée coup de bélier. L'ASI et le coup de bélier produisent tous deux du bruit et peuvent parfois fatiguer les composants structurels.

• Grande déformation

Lorsque la déviation ou le déplacement du domaine solide est suffisamment important pour modifier l'écoulement de fluide, une FSI bidirectionnelle est nécessaire. En outre, les ingénieurs peuvent avoir besoin de configurer leur simulation afin d'utiliser des méthodologies permettant de déformer les maillages CFD et FEA, voire de remailler la géométrie dans les deux domaines. La vitesse de la déformation ou du déplacement détermine également la taille du pas de temps pour chaque itération du solveur.

• Grande déformation oscillante

Lorsque les changements au niveau des forces de fluide excitent une fréquence naturelle dans la structure, le système peut subir de fortes oscillations. Ces oscillations peuvent augmenter davantage à mesure que le débit de fluide ajoute de l'énergie au système. Les aérodynamiciens appellent ce type de couplage « aéroélasticité ». 

L'effondrement du pont Tacoma Narrows est un exemple de la manière dont les charges aérodynamiques peuvent exciter des vibrations dans une structure jusqu'à ce qu'elle s'effondre.

• Déplacement de corps rigide

Une interaction fluide-structure bidirectionnelle complexe peut également se produire avec des composants structurels qui ne se déforment pas, mais qui présentent une quantité de mouvement. Ce déplacement de corps rigide nécessite toujours un couplage bidirectionnel et un remaillage du domaine fluide. 

• Déformation induite par la charge corporelle

Les charges corporelles exercées par la gravité ou les champs électromagnétiques, ainsi que les contraintes thermiques peuvent déformer le domaine solide, ce qui affecte le système de FSI. Les actionneurs et les arbres d'entraînement exercent également des charges sur la structure. Dans les systèmes biologiques, la relaxation et la contraction des muscles déplacent les fluides dans le corps. Les ingénieurs doivent s'assurer de comprendre les charges corporelles et d'en tenir compte dans leurs modèles FSI.

Autres aspects physiques avec interaction fluide-structure

Lorsqu'une simulation inclut d'autres charges dans le domaine fluide ou structurel, le système de FSI devient une simulation multiphysique plus complexe. Les dispositifs microélectromécaniques (MEMS) fluidiques en sont un exemple courant. Ils fonctionnent en combinant la physique électrique, électrostatique, magnétique, thermique, fluidique et structurelle dans un seul dispositif.

L'aspect physique le plus couramment ajouté par les ingénieurs aux études de FSI est le transfert de chaleur conjugué. Ce type de simulation utilise les températures et les vitesses calculées par CFD pour déterminer le flux thermique entre les domaines solide et fluide. 

L'interaction fluide-structure se produit dans de nombreux systèmes dans plusieurs secteurs, mais certains se distinguent par le fait que l'écoulement de fluide fait partie intégrante de leurs produits. Voici une liste des secteurs dans lesquels la FSI joue un rôle important dans l'amélioration de la robustesse et des performances d'optimisation.

Aérospatiale

Si vous avez déjà regardé par le hublot d'un avion de ligne et observé la structure mobile d'une aile, vous avez vu un couplage FSI bidirectionnel présentant une grande déformation. L'industrie aérospatiale produit de nombreux dispositifs qui voyagent dans l'atmosphère, ce qui fait de la FSI un aspect essentiel de leur conception et de leur maintenance. L'interaction entre les domaines fluide et solide devient encore plus critique lorsque les véhicules aérospatiaux se déplacent plus vite que la vitesse du son et que les ondes de choc se forment, créant ainsi des forces importantes.

Voici quelques exemples courants d'interaction fluide-structure dans le domaine aérospatiale qui intéressent les ingénieurs :

• Aéroélasticité des ailes
• Déplacement de corps rigide d'objets tels que les réservoirs de carburant de rechange et les armes qui tombent de l'avion
• Trajectoires balistiques des objets dans les airs
• Charges sur les surfaces de contrôle
• Gonflage des parachutes et des parapentes
• Ballottement du carburant dans les réservoirs
• Charges acoustiques et aérodynamiques sur les tuyères de fusée

Automobile

Les voitures traversent également l'atmosphère et déplacent des liquides et des gaz à travers leurs systèmes de transmission et de climatisation. Si vous avez déjà conduit une voiture équipée d'un toit ouvrant, vous avez fait l'expérience de l'interaction fluide-structure lorsque vous avez entendu un bruit de tremblement à certaines vitesses. Dans l'industrie automobile, la plupart des FSI sont unidirectionnelles, car les structures automobiles sont généralement rigides.

Biomédical

Le corps humain est un système de structure de fluides complexe dans lequel de nombreux composants structurels sont flexibles. Les cavités et les valves cardiaques sont d'excellents exemples d'interaction fluide-solide dans les systèmes naturels. Les muscles cardiaques se contractent et se dilatent pour modifier le volume de la cavité cardiaque, augmentant ainsi la pression artérielle et forçant le sang à travers les valves cardiaques. Les valves cardiaques sont dotées de feuillets flexibles qui s'ouvrent et se ferment pour permettre ou bloquer la circulation sanguine. Elles s'ouvrent lorsque la pression à l'intérieur de la cavité cardiaque augmente et se ferment lorsque la pression chute. 

Exemple de simulation FSI biomédicale d'un cœur humain réalisée avec l'outil PyAnsys-Heart

Structures civiles

Les bâtiments, les ponts et autres structures civiles interagissent avec le vent et l'eau, présentant ainsi des interactions fluide-structure. Les bâtiments très hauts ne se contentent pas de se balancer sous l'effet de vents violents ; ils subissent également une FSI bidirectionnelle, car ils modifient la configuration du vent lorsqu'ils bougent.

Technologies propres

Deux des exemples les plus courants de FSI dans les produits de technologie propre sont le comportement des panneaux solaires et des éoliennes. Les panneaux solaires peuvent présenter un couplage FSI unidirectionnel lorsque les panneaux ne bougent pas et sont rigides, ou un couplage FSI bidirectionnel lorsque les panneaux peuvent se plier ou utiliser des actionneurs pour se positionner. Les pales d'éoliennes sont flexibles, se plient en raison de la gravité et des charges de vent, et tournent pour modifier leur orientation par rapport au vent.

Turbomachines

L'air ou la vapeur circulant dans les turbomachines interagit avec les composants solides statiques et rotatifs à l'intérieur des appareils. Les ingénieurs utilisent la simulation FSI pour évaluer l'aéroélasticité, les vibrations forcées, les vannes et les joints. Les études en matière de FSI sur le domaine des turbomachines sont complexes en raison des vitesses, des températures et des pressions élevées.

Systèmes de fluides

De nombreux produits disposent de systèmes qui contrôlent le débit de liquides et de gaz à travers l'appareil ou la machine. La plupart des vannes, joints, capteurs et pompes utilisés dans les systèmes de fluides subissent au moins une interaction fluide-solide unidirectionnelle et peuvent utiliser un couplage FSI bidirectionnel pour effectuer les tâches prévues.

La simulation de l'interaction fluide-structure est difficile, car elle implique la modélisation de deux aspects physiques distincts que les utilisateurs doivent configurer et exécuter de manière optimale, et parce que la gestion de leur couplage peut être complexe. Voici une liste des défis les plus courants avec quelques recommandations pour les surmonter.

Choisir l'outil adapté à chaque physique

Le choix des bons outils de simulation CFD et FEA structurelle est le premier défi à relever lorsqu'on entreprend une simulation FSI. Les utilisateurs ont besoin d'un outil de simulation des fluides facile à utiliser, disposant d'une combinaison adéquate de méthodes numériques pour capturer le comportement du domaine fluide, capable de résoudre efficacement et prenant en charge la FSI. Par exemple, les utilisateurs travaillant avec des turbomachines choisissent souvent le logiciel de calcul de dynamique des fluides Ansys CFX pour ses puissantes capacités dans ce secteur. Les ingénieurs qui modélisent d'autres types de problèmes auront tendance à privilégier le logiciel de simulation des fluides Ansys Fluent en raison de sa large gamme de modèles de turbulence, de ses capacités de maillage et de remaillage fiables, et de ses fonctionnalités CFD avancées.

Du point de vue structurel, les utilisateurs ont besoin d'une plateforme robuste et polyvalente, comme le logiciel d'analyse structurelle par éléments finis Ansys Mechanical, qui modélise avec précision les matériaux solides et la géométrie linéaires et non linéaires, et offre des capacités de chargement sophistiquées ainsi que la plus large gamme de fonctionnalités du secteur. Les utilisateurs doivent travailler avec un outil qui inclut une interface utilisateur programmable et facile à utiliser, prenant en charge la modélisation FSI unidirectionnelle et bidirectionnelle.

Le logiciel de connexion de solveurs physiques Ansys System Coupling est un bon exemple d'outil complet permettant de connecter des aspects physiques indépendants. Il offre des fonctionnalités de couplage unidirectionnel et bidirectionnel, de script, de mappage de données et d'échange de données. L'interaction fluide-solide en fait un outil de premier plan pour les ingénieurs qui simulent ce type particulier de couplage de systèmes.

Posséder une expertise dans le domaine des fluides et des structures

Les simulations de fluides et de structures sont très distinctes, tout comme les outils utilisés pour la CFD et la simulation structurelle. Certains ingénieurs connaissent bien ces deux domaines, mais ils excellent généralement dans l'un et ont une connaissance superficielle de l'autre. Pour y parvenir, vous pouvez choisir les deux outils auprès du même fournisseur, tel qu' Ansys, qui propose également des des formation complets et des webinaires pour aider les utilisateurs à se familiariser avec ces deux aspects physiques. De plus, si l'ensemble d'outils offre des fonctionnalités de script comme l'outil d'accès pythonique PyAnsys pour le logiciel Ansys, un expert peut configurer l'automatisation pour ces deux aspects physiques. 

Cependant, la meilleure façon de bénéficier d'une expertise dans un domaine est de travailler en équipe avec un expert dans le domaine que vous ne connaissez pas aussi bien. Utilisez ensuite des outils de gestion des données de simulation, tels que le logiciel de gestion des données et de processus de simulation Ansys Minerva, pour collaborer et suivre les modèles et les exécutions.

Choisir entre le couplage unidirectionnel et le couplage bidirectionnel

Parfois, il n'est pas évident de déterminer si un problème particulier d'interaction fluide-structure nécessite un couplage unidirectionnel ou bidirectionnel. En cas de doute, la meilleure approche consiste à commencer par un couplage unidirectionnel, car il est plus simple et plus efficace à résoudre. Si la solution révèle la nécessité d'un couplage bidirectionnel, effectuez la modification.

Gérer l'instabilité numérique

Certaines situations FSI sont instables, ou les modèles peuvent être construits avec un maillage ou des paramètres incorrects, ce qui entraîne une non-convergence. Dans ces situations, il est préférable de travailler avec des outils tels que la gamme Ansys, qui offre plusieurs méthodes numériques de stabilisation, ainsi qu'une formation et une assistance complètes.

Disposer de ressources informatiques suffisantes

Les simulations CFD sont par nature coûteuses en termes de calcul. Lorsqu'elles sont associées à une analyse structurelle par éléments finis, elles peuvent utiliser une quantité importante de ressources, en particulier pour le couplage implicite bidirectionnel. Pour remédier à cela, veillez à choisir des solveurs qui prennent en charge le calcul haute performance, comme Ansys CFX, Fluent et Mechanical, qui s'adaptent bien au traitement parallèle et aux GPU. De plus, envisagez d'utiliser des ressources HPC basées dans le cloud, telles qu'Ansys Cloud, pour fournir la capacité dont vous avez besoin, au moment nécessaire.

Ressources connexes