Couplage thermique dans OpenFOAM : application à une machine tournante électrique

Par Bertrand GAZANION
Ingénieur Projets GANTHA
b.gazanion@gantha.com

Cet article présente un travail de développement de compétences de GANTHA dans la simulation multi-domaines avec la suite OpenFOAM. Le cas d’application présenté est une machine tournante électrique fictive.

La simulation open source avec OpenFOAM

OpenFOAM est une suite d’outils de simulation numérique libre et open source. Elle permet de réaliser et d’analyser des simulations dans de nombreux domaines d’application, et notamment la mécanique des fluides. OpenFOAM a gagné en popularité dans le domaine de la CFD (mécanique des fluides numérique) pour la richesse des méthodes disponibles et sa licence libre et gratuite.

GANTHA utilise la suite OpenFOAM depuis plusieurs années pour des applications aérodynamiques et multiphasiques. L’approche visée est une chaîne de calcul constituée d’outils open source. Les outils d’OpenFOAM sont utilisés pour construire le maillage (blockMesh, snappyHexMesh), réaliser la simulation et sortir des résultats en cours de calcul. En complément, le logiciel open source ParaView est utilisé pour la visualisation et l’analyse.

Nous abordons avec cet article le domaine des échanges de chaleur entre solides et fluides, et à l’intérieur des solides. Les applications tournent par exemple autour du refroidissement de pièces par un écoulement d’air, comme un moteur électrique, une machine tournante ou des composants électroniques. L’enjeu est de parvenir à coupler l’écoulement de l’air autour des pièces avec la thermique dans les pièces, afin de simuler correctement les échanges de chaleur et prévoir l’efficacité du refroidissement ainsi que les températures des pièces.

Présentation du cas d’application

Le cas d’application est une machine tournante électrique fictive présentée ci-dessous. Cette machine contient plusieurs pièces, et notamment :

  • Un ventilateur en rotation à 1500 tours par minute
  • Un rotor dégageant 9000 W
  • Un stator dégageant 15 000 W
Présentation de la machine tournante

Présentation de la machine tournante

Le maillage est réalisé avec le mailleur snappyHexMesh de la suite OpenFOAM. Cet outil permet de créer un maillage 3D en adaptant la résolution près des surfaces des pièces. La géométrie de la machine et des pièces qui la composent est décrite par un fichier STL. Le mailleur snappyHexMesh est paramétré pour épouser la forme de ces pièces et placer plusieurs niveaux de mailles fines autour. De cette manière, la forme des pièces est respectée, et les phénomènes qui se produisent près des pièces (échange de chaleur, effets aérodynamiques) sont mieux calculés.

Maillage

Maillage

 Simulation

Une simulation transitoire a été réalisée, en partant d’un état initial correspondant à l’arrêt de la machine. Le calcul est parallélisé, grâce aux outils de calcul parallèle d’OpenFOAM.

Les images suivantes sont obtenues par post-traitement des résultats de la simulation avec le logiciel open source ParaView. Elles mettent en évidence les échanges de chaleur entre les solides. L’air mis en mouvement par le ventilateur se réchauffe en traversant le canal.

 

Conclusion

Une machine tournante électrique a été simulée avec la suite OpenFOAM. Cette simulation a permis de calculer l’évolution temporelle de la température dans les pièces de la machine, en prenant en compte les sources de chaleur et le refroidissement par le ventilateur. La simulation a été réalisée intégralement avec les outils open source OpenFOAM et ParaView, à partir d’un modèle 3D au format STL.

La méthode utilisée offre de grandes possibilités d’automatisation, ce qui permet d’envisager une industrialisation du calcul pour des bureaux d’études ou des constructeurs. Ce travail ouvre également la voie à des simulations de refroidissement de machines et de circuits électroniques.