Maîtrise de la Simulation Numérique

Les travaux que je réalise lors de mes études expriment la convergence de sciences très variées. Et pour cause, pour réaliser une étude de simulation numérique entière en mécanique des fluides par exemple, je dois entreprendre la mise en œuvre de ces différentes étapes, que sont :

Pre-processing
  • La conception géométrique informatique en 3D du domaine de contrôle dans lequel le phénomène physique à étudier se produit. Cela parfois avec un outil de CAO/DAO. Selon la complexité du cas je peux utiliser différents logiciels : blockMesh, Salome, Sketchup ou SolidWorks …
  • La génération du maillage complexe de cette même géométrie avec l’adjonction de couches limites personnalisables selon le besoin. J’utilise pour cela le plus souvent l’outil SnappyHexMesh.
  • Le paramètrage de la simulation. Et si le problème à simuler est turbulent, le choix d’un modèle de turbulence adéquate.
Solving
  • Le calcul de la simulation en question sur un poste de travail ou sur un serveur de calcul. Le temps de calcul d’une simulation peut prendre, selon sa complexité, en ininterrompu, entre quelques secondes et plusieurs semaines.
  • L’analyse de la convergence de la solution proposée dans le résultat du calcul de la simulation.
Post-processing
  • Le traitement graphique et l’analyse des mouvements du fluide calculés, en rendu 2D ou 3D.
  • La vérification du réalisme des résultats obtenus.
  • L’analyse calculatoire des résultats obtenus par le biais de tableaux de données et de courbes.
  • Et au final, la dernière étape qu’est la compréhension du phénomène physique simulé dans son état général, et la proposition de solutions au problème qui était posé initialement.

Et il faut considérer que les points de ces différentes étapes amènent des sciences très variées à se côtoyer de très près :

L'Informatique et ses technologies

Je maîtrise la plateforme OpenFOAM et sa complexité légendaire. OpenFOAM® = plus de 200 programmes à lancer avec la ligne de commande sous linux. Car c’est sous la plateforme OpenFOAM que je réalise mes simulations numériques. Plateforme qui est loin d’être la plus simple à appréhender, et que pour maîtriser pleinement j’ai du apprendre le Shell, bash, ksh, que sont les langages informatiques associés à la ligne de commande des systèmes Unix/Linux. Cela me laisse bien plus de possibilités dans les études que je réalise. Ce qui est à prendre en compte. La connaissance des codes logiciels sont très utiles en simulation. Mais il faut aussi maîtriser tous les autres logiciels qui me permettent d’aller jusqu’au bout d’une étude, par exemple les logiciels de traitement des résultats obtenus.

Les Mathématiques

Les Mathématiques servent, entre autres, à vérifier que la simulation converge bien. Il s’agit ainsi de maîtriser la Méthode des Volumes Finis afin de vérifier que les opérations sur les matrices dans leurs applications produisent bien une solution correcte le long de la simulation …

La Physique

Il y a toujours une Physique derrière la simulation. Ici la Mécanique des Fluides et ses mécaniques tourbillonnaires vraiment très complexes, ainsi que la Thermique. Car il faut pouvoir vérifier que les résultats qu’on obtient numériquement sont cohérents avec la réalité. Ce qui est très important. Si on ne comprend pas la physique qu’il y a derrière un travail numérique on ne peut pas donner de sens à une étude, et on ne peut que difficilement en valider sa conformité avec la réalité.

La Technologie propre au Système simulé

La connaissance de la Technologie au sein de laquelle se produit le phénomène physique à simuler permet de mieux orienter la simulation. Par exemple pour une éolienne, la maîtrise de cet aspect permet de mieux comprendre la mécanique qui régit ses mouvements. Dans ce cas cela permet de réaliser des maillages dynamiques de qualité. Par exemple un maillage rotatif dans le cas d’une éolienne. Il peut être important de savoir isoler la caractéristique qui représente le mieux la problématique d’un système à étudier, et son mouvement en est un, etc …

La CAO/DAO

La Conception/Dessin assisté(e) par ordinateur. Il est plus judicieux de commencer une étude par la confection d’un plan informatique du système à étudier. A partir de mes connaissances en conception mécanique je dois commencer une étude par la réalisation d’une maquette numérique en 3D du système à simuler que je réalise si besoin à travers divers logiciels de CAO. Dans tout cela il y a aussi snappyHexMesh, le mailleur automatique et sa très grande complexité …

À l’agencement de ces différentes sciences que j’avais, pour la plupart, d’abord appris à maîtriser quand j’étais à l’Ecole Centrale, mais plutôt une par une, j’avais ensuite appris à les coordonner les unes avec les autres quand j’étais à Polytechnique pour réaliser des études complètes qui s’expriment à travers les travaux en CFD que j’ai mené dans cette Université …