Création d’un modèle d’ordre réduit pour la prédiction des tourbillons dans les cuves d’agitation

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Percer les secrets de la dynamique des tourbillons dans les cuves d’agitation grâce à des techniques de modélisation avancées.

Défis

La prédiction de la dynamique des tourbillons dans les cuves d’agitation présente des défis importants en raison des comportements complexes de l’écoulement des fluides impliqués. La turbulence et la nature chaotique du mouvement des fluides dans ces systèmes font qu’il est difficile de modéliser et de prédire avec précision la formation des tourbillons.

Les simulations traditionnelles de dynamique des fluides par ordinateur (CFD), bien que précises, sont très gourmandes en temps et en ressources informatiques. Cela pose un problème aux industries qui ont besoin de délais d’exécution rapides pour les simulations et les optimisations.

Introduction aux modèles d’ordre réduit (ROM)

Les modèles d’ordre réduit (ROM) offrent une solution prometteuse aux défis posés par les simulations CFD traditionnelles. Les ROM réduisent la complexité des calculs en capturant la dynamique essentielle d’un système avec beaucoup moins de degrés de liberté.

Les ROM sont créés en identifiant les modes ou les caractéristiques les plus importants du système et en construisant un modèle simplifié qui conserve les caractéristiques critiques du système original. Cette approche permet non seulement d’accélérer le processus de simulation, mais aussi d’effectuer de multiples itérations et optimisations.

Solution d’ingénierie

Chez Ozen Engineering, nous mettons à profit notre expertise dans le logiciel de simulation ANSYS pour développer des modèles d’ordre réduit précis et efficaces pour la prédiction des tourbillons dans les cuves d’agitation. Notre processus commence par des simulations CFD détaillées pour comprendre les comportements fondamentaux du système fluide.

Nous utilisons ensuite des techniques avancées de réduction de modèle pour extraire les dynamiques clés et construire un ROM qui peut prédire la formation de tourbillons avec une grande précision. Cette ROM est validée par rapport à des données expérimentales afin de garantir sa fiabilité et sa robustesse.

Application :

Dans cette application, nous utilisons le même exemple de bassin d’agitation que celui pour lequel nous avons montré comment créer un modèle Fluent pour la prédiction de vortex.¹. Le réservoir est un cylindre sans chicane, agité par une turbine Rushton. La géométrie et les détails du maillage sur le plan de la section transversale sont illustrés à la figure 1.

Figure 1. Modèle géométrique et maillage

Le schéma du projet Ansys Workbench est illustré à la Figure 2. La géométrie est connectée à la session Fluent où les paramètres nécessaires du modèle et les paramètres d’entrée/sortie sont décrits¹. Le module 3D ROM est ensuite glissé et déposé sur l’écran du projet, ce qui lui permet d’établir une connexion automatique avec le reste du projet.

Figure 3. Le projet Ansys Workbench avec l’ajout de 3D ROM

Avant de procéder au plan d’expériences (DOE), il est préférable de résoudre le premier ensemble de données basé sur les entrées (DP0). Cela permet de contrôler la simulation, le post-processus et de déterminer s’il y a des problèmes. Une fois la simulation terminée, l’écran des paramètres affiche les paramètres de sortie correspondants (figure 4).

Figure 4. Entrées et sorties de la première simulation (DP0).

Les propriétés du plan d’expériences peuvent être ajustées à l’aide du tableau (figure 5) qui apparaît lorsque l’on clique sur le plan d’expériences (3D ROM). La sélection par défaut « Optimal Space-Filling Design » a été utilisée avec un nombre d’échantillons de 32. Ce nombre est calculé par le logiciel en fonction du nombre de paramètres d’entrée. Dans ce cas, nous avons 4 entrées et 8 configurations par entrée, ce qui donne le nombre total d’échantillons.

Figure 5. Paramètres du DOE

Une fois les simulations DOE terminées, la coche verte est visible comme dans la figure 3. Les conceptions et les résultats associés sont disponibles pour examen (figure 6).

Figure 6. L’écran des résultats du DOE

L’étape suivante consiste à cliquer sur ROM Builder, puis sur Export ROM (Figure 7). Il y a deux options d’exportation : soit le fichier roms, soit le fichier fmu. Les roms peuvent être lues avec une nouvelle session Fluent. Le fichier fmu peut être importé dans le TwinBuilder pour une analyse plus approfondie. Dans cet exemple, nous avons exporté le fichier roms.

Figure 7. Exportation de la ROM

L’étape finale consiste à ouvrir un nouveau fichier Workbench, à ouvrir la session Fluent et à importer la ROM. Une fois la session Fluent ouverte, cliquez sur le modèle d’ordre réduit dans le menu Modèles. Dans le panneau, cliquez sur l’onglet « Evaluate ». Choisissez l’outil de post-traitement approprié, tel que les contours, et sélectionnez les fonctions cellulaires ROM à visualiser. La modification des paramètres utilisés pour la création de la mémoire morte permet d’en observer l’effet. La figure 8 montre qu’une vitesse plus faible ne génère pas de tourbillon, alors qu’une vitesse plus élevée le fait.

Figure 8. Évaluation de la ROM pour deux cas différents

À partir de là, l’utilisateur peut explorer de nombreuses combinaisons différentes des paramètres d’entrée. Le résultat est disponible en quelques secondes sur l’écran.

Avantages

Le principal avantage de l’utilisation des ROM dans la prédiction des tourbillons est la réduction significative du temps et des ressources de calcul. Cela permet un prototypage et une optimisation rapides, ce qui se traduit par des cycles de développement plus courts et des économies de coûts.

En outre, les ROM permettent des simulations et un contrôle en temps réel, ce qui est particulièrement utile dans les applications industrielles où une prise de décision rapide est cruciale. La possibilité de réaliser de multiples scénarios de simulation améliore également l’efficacité globale de la conception et de l’exploitation.

Les détails de la génération de ROM sont présentés dans la vidéo ci-dessous.

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