Cours CeC A‚ro RF1T CFD STARCAT5 20100107 .pdf



Nom original: Cours CeC - A‚ro RF1T - CFD STARCAT5 - 20100107.pdf
Titre: Suresnes, le 3 Juillet 2008
Auteur: sparring

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TITRE PARTIE

Simulation aérodynamique sous STARCAT5®
TITRE SECTION

1

V 2010-X

SOMMAIRE

SOMMAIRE

1. RENAULT F1 TEAM & CD ADAPCO

3

2. INSTALLATION ET LICENSING STARCAT5

5

3. NOTION FONDAMENTALES EN CFD

11

4. METHODOLOGIE COURSE EN COURS

15

5. LES FICHES METHODOLOGIQUES

17

Cette ressource a été développée par Thierry CHEVROT (Université de Versailles – IUT de
Mantes en Yvelines) et Yves JEUNESSE (Ingénieur FCI Automotive). Elle est mutualisée, c'està-dire que vous pouvez nous aider à l’améliorer, à compléter le package CATIAV5 &
STARCAT5 fourni conjointement dans l’intérêt de toute la communauté Course en Cours.
 1ère mutualisation apportée : IUT du Havre – M. Christophe Thierry
 2ème mutualisation apportée par la commission Aérodynamisme :
o IUT de Troyes - Michel Costantini
o IUT de Lilles – Claude Crincket
o IUT de Mantes en Yvelines – Cyril Brossard
o IUT du Havre – Christophe Garnier

2

1. RENAULT F1 TEAM & CD ADAPCO

1. RENAULT F1 TEAM & CD-ADAPCO
CD-adapco est un fournisseur leader global couvrant tout le spectre des simulations en
ingénierie
numérique (CAE), notamment dans les domaines de la dynamique des fluides et des
SOMMAIRE
transferts de chaleur. Ses produits comprennent le logiciel Computational Fluid Dynamics
(CFD) STARCD et son intégration dans CATIAV5 : STARCAT5, des services de consulting en CAE,
et de la formation. Le logiciel phare de CD-adapco, STARCD, joue un rôle déterminant dans le
développement de l’aérodynamique externe et du moteur des F1 du Renault F1 Team :
 Simulation aérodynamique interne avec couplage thermique pour les problématiques
de combustion moteur, etc.
 Simulation aérodynamique externe pour la performance aérodynamique : Cx, Traînée,
Appui aérodynamique, Résistance de l’air, etc.

Le processus mise en œuvre pour Course en Cours est très proche de la réalité des ingénieurs
en CFD professionnels.
C’est la raison pour laquelle un partenariat Course en Cours – CD adapco a été mis en place
afin de vous donner les moyens et les outils des pros !
En revanche, pour des raisons de performance informatique, nous simplifierons certaines
étapes afin d’obtenir des temps de calculs raisonnables…

3

1. RENAULT F1 TEAM & CD ADAPCO

STARCD, comme logiciel spécialisé en CFD utilise les données CAO 3D du bureau d’étude pour
résoudre les équations (parmi les plus complexes) et donner aux ingénieurs des résultats à
exploiter. Ces équations sont appliquées et résolues dans chacune des cellules élémentaires,
découpage volumique du fluide étudié (le maillage).

En 2000, la nouvelle version STAR CCM+ a été recodé de zéro. Le maillage, technique qui
constituait à l’époque un savoir très coûteux en temps ingénieur, est maintenant automatisé
pour faciliter la tâche des utilisateurs. Le maillage est réalisé en cellules polygonales : 8 faces,
qui permettent au centre de chacune de ces cellules de calculer la vitesse et la pression du
fluide (Air en aérodynamique externe) qui s’écoule dans la simulation numérique.

Ces logiciels se vulgarisent mais l’ingénieur est toujours nécessaire notamment pour son esprit
critique : c’est le seul possédant le savoir théorique et pratique (ou pouvant réaliser les essais
physiques), permettant de s’assurer que le logiciel lui donne des résultats réalistes.
Pour le Renault F1 Team, un calcul aérodynamique externe sur une Formule 1
représente environ 60 millions de cellules pour obtenir un résultat réaliste à 0.5%
près sur la traînée et 3% sur le SCx. Il faut à STARCD environ 2Go de RAM par Million
de cellules pour effectuer les longs calculs permettant de résoudre les équations
mécaniques.
Le Renault F1 Team s’est doté dans son CFD Center d’Enstone (UK) d’un
supercalculateur d'une puissance de 38 Téra flops. Celui-ci est basé sur des AMD
Opteron quadri-cœurs et possède 4.4 Téraoctets de mémoire.

4

2. INSTALLATION & LICENSING STARCAT5

2. INSTALLATION STARCAT5

Dans le cadre du partenariat Course en Cours avec CD adpaco, les licences fournies sont des
licences
flottantes prêtes à être implémentées dans un serveur de licences de type FLexLM.
SOMMAIRE
Pour obtenir vos licences, vous devez :
 Être éligible par Course en Cours à l’obtention de licences pour le challenge.
 Fournir à Course en Cours les informations suivantes :
-

Nom & Adresse Mac du PC qui servira de serveur FlexLM (à moins que le
logiciel soit installé avec Catia V5).

-

Document administratif pré-rempli du contexte d’utilisation.

-

Nom et coordonnées du relais CFD CeC de l’établissement.

Les licences sont ensuite directement envoyées par CD adapco par email. Le pack logiciel
nécessaire à l’installation de STARCAT5 est à télécharger : https://support.cd-adapco.com/.
Le login et mot de passe seront votre email. Attention une fois connecté, une demande de
changement de mot de passe vous sera demandé, une page d’Erreur s’affichera une fois fait.
Pas de soucis, il suffit de retourner manuellement sur https://support.cd-adapco.com/ et de
vous reconnecter avec votre nouveau mot de passe.
Accepter la « licence Agreement » en cliquant sur « Accept ».
L’application à télécharger sur le site support se trouve dans la rubrique Download. Indiquer
les paramètres « product » et« version »comme indiqué ci-dessous.

Star-CCM+_5.04.008_02_(win32 ou win64).zip

5.04.008

Version officielle pour la saison 2010 2011

5

2. INSTALLATION STARCAT5

Sélectionner ensuite l’environnement informatique :

CD-adapco propose en début de saison des sessions d’aide à distance à l’installation (WebEx)
du logiciel. Les renseignements ci-dessous, ne sont donnés qu’à titre indicatif. Ils ne remplacent
pas ces sessions.

2.1 Installation
Une fois le téléchargement effectué, dé-zippez le fichier. Tout ce qui est nécessaire pour faire
fonctionnez StarCat5 est intégré dans le ZIP : STARCAT5 pour CATIAV5, la machine virtuelle et
le Kit de développement Java, le gestionnaire de licences FlexLM. L’application est prévue
pour Catia V5 R19. Attention : STARCAT5 n’est (au 30/09/10) pas certifié pour Windows
Seven.

6

2. INSTALLATION STARCAT5

Faites attention à bien respecter les éléments à installer ! (sources d’erreurs classiques). Il faut
surtout bien cocher dans les composants lors de l’installation (décocher, ce qui est par défaut)
les éléments suivants :
 STAR-CAD Série (en milieu de liste déroulante).
-

Star CAT.

 Support tools : tout cocher.

IP ou Nom du
serveur de
licence, rien si
monoposte

L’installation débute, validez à chaque fois (ne pas oublier d’accepter la configuration
automatique du Firewall et la création de l’icône STARCAT5), le process lance des installations
et vous demande de valider. Ceci est tout à fait normal.

7

2. INSTALLATION STARCAT5

Une modification manuelle peut être demandée avec l'intégration dans CATIAV5 R19 :

8

2.2 Installation de la Licence dans le FlexLM

2. INSTALLATION STARCAT5

La licence se trouve dans le mail envoyé par CD-adapco : le fichier licence.dat.
Ce fichier licence doit être intégré sur le serveur FlexLM (soit installé sur la machine où vous
utiliserez STARCAT5 ou sur un serveur prévu à cet effet. Pour ce dernier, il faudra bien
configurer STARCAT5 pour qu’il pointe sur ce serveur de licence).
1. Editez (notepad) ce fichier licence et vérifiez que le nom de votre machine apparaît
bien, dans le cas contraire, exemple : « SERVER unknown GFHDJ62627 …. » remplacer
unknown par le nom de la machine. Sauvegardez le et copier ce fichier licence.dat
dans le répertoire où vous avez installé STARCAT5.
2. Il faut aussi 2 variables d’environnement windows à STARCAT5 pour fonctionner :
après installation du logiciel, créez ces deux variables windows : (Poste de travail, clic
droit -> propriété, onglet avancé : Variable environnement).
LM_LICENSE_FILE
CDLMD_LICENSE_FILE
avec comme valeur : 1999@nomdevotremachine

Lancez l’utilitaire LMTOOLS situé dans le répertoire FlexLM de votre installation STARCAT5 :

9

2. INSTALLATION STARCAT5

Aller dans l’onglet Config Services pour créer le service de licence STARCAT5.

Remplissez les champs comme ci-dessus.
Vous pouvez vérifier que le serveur FlexLM a bien pris en compte votre licence StarCat5 en
allant sur l’onglet Serveur Status et faites un Perform Status Enquiry.

Faites dans l'onglet Start/Stp/Reread, un Stop
and Start Serveur pour lancer le serveur de
licence, ou bien redémarrer le serveur (le service
doit se lancer automatiquement au démarrage)

Lancer CatiaV5 depuis l’icône CATIAV5 « STAR-CAT pour V5R… ». A vos simulations !
En cas de problème d’installation, de difficulté de Licensing, une rubrique du forum
web Course en Cours est dédiée à STARCAT5 et la simulation aérodynamique :
www.course-en-cours.com\forum .

10

3 NOTIONS FONDAMENTALES EN CFD

3. NOTIONS FONDAMENTALES EN CFD

3.1 Généralités
Voici quelques notions fondamentales de mécanique des fluides, permettant de comprendre
les points sensibles qu’il faudra surveiller pour effectuer de « bonnes » simulations
numériques en CFD.
Du fait de la viscosité*def du fluide, la vitesse d’écoulement de celui-ci est nulle sur la paroi. (on
parle de surface mouillée (en rouge) , surface de contact objet/fluide).

Définition de la viscosité : La viscosité peut être definie comme étant la résistance à
l'écoulement uniforme et sans turbulence se produisant dans la masse d'une matière.
Lorsque la viscosité augmente, la capacité du fluide à s'écouler diminue
Dans la première couche de fluide (1er millimètre), la vitesse devient non nulle, cette zone est
primordiale en aérodynamique, car elle est le lieu de formation locale de tous les phénomènes
aérodynamiques globaux (effet papillon) :
 Appuis aérodynamiques locaux (Pressionlocale>0).
 Naissance des perturbations aérodynamiques, des tourbillons ((Pression locale≈0).

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3. NOTIONS FONDAMENTALES EN CFD

Cette couche est appellée « couche limite ». Voici deux exemples de couches limites :

Il faudra donc étudier numériquement précisement cette couche limite, pour cette raison, on
maillera (nous le confirmerons par la suite) cette zone finement : on appel en maillage cette
zone la « couche d’extrusion ».

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3. NOTIONS FONDAMENTALES EN CFD

3.2 Deux cas d’étude type pour les simulations numériques en CFD:
 Simulation d’écoulement interne : Par exemple, on souhaite simuler l’écoulement
d’un fluide dans une canalisation. Ce type de simulation est « plus facile » à mettre en
œuvre, c’est donc un cas à privilégier pour la prise en main du logiciel STARCAT5 et
des concepts associés (Cf exercice n°01 – DemoCFDInter).

 Simulation aérodynamique externe : par exemple, concerne tout ce qui est lié l’étude
aérodynamique de véhicules : résistance à l’air, appuis aérodynamiques, sillage, etc.
Le principe de mise en œuvre est un peu plus complexe, car les données CAO de
départ correspondent au véhicule et non à la CAO du fluide. Un certain nombre de
précautions seront à prendre pour déduire la veine d’air, volume d’air s’écoulant
autour du véhicule (même concept qu’une soufflerie physique, dans laquelle on place
le véhicule pour faire des essais aérodynamiques).

13

3.3 Le processus général de travail
 Définition du besoin : Simuler numériquement les MiniF1 CeC en aérodynamique
externe.

 Données de sorties : éléments numériques résultats de simulation sous STARCAT5,
exploitables vulgairement avec les collégiens et lycéens (médias de type image et
film), ainsi que les valeurs numériques caractéristiques de la performance
aérodynamique de la MiniF1 (Cx, Fx,…).
 Processus STARCAT5 :
Préparation de la CAO
« Veine d’air » CATPart
OK

Erreurs

Définition des conditions
limites (physiques) de la
simulation

OK

Maillage surfacique
De la veine d’air
OK

Maillage Volumique
De la veine d’air
OK

Calculs
Résolution du problème
OK

Postraitement
Analyses des résultats

Conclusion sur la performance aérodynamique
et les tendances d’évolution de la conception

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Cycle d’optimisation de la conception de la MiniF1

3. NOTIONS FONDAMENTALES EN CFD

 Données d’entrée : Modèle CAO CATIA V5 de la MiniF1 à simuler.

4. METHODOLOGIE COURSE EN COURS

4. PROCESSUS COURSE EN COURS

Un processus optimisé et automatisé (via l’utilisation de templates CATIA V5, Templates
STARCAT5, et des réglages optimisés pour les MiniF1s) à été développé pour Course en Cours
pour pouvoir généraliser et donc vulgariser l’utilisation de la simulation numérique CFD.
Chaque étape est détaillée par des fiches méthodologiques (Fihes 1 à 8).
Cette formalisation permet de comparer efficacement tous les résultats
obtenus pour les vehicules testés. Ces résultats pourront, en cours de saison,
être présentés dans la rubrique Aerodynamisme du forum web Course en
Cours, permettant à chaque équipe de se situer par rapport aux autres.
Un poster pédagogique (format A1 vertical) est disponible en téléchargement
sur la bibilothèque pédagogique Course en Cours. Il permet de formaliser la
démarche pour les tuteurs étudiants, et d’expliquer aux collégiens et lycéens le
processus d’ingénierie associé.

15

Le processus Course en Cours automatisé et les fiches associées

START

5. METHODOLOGIES COURSE EN COURS

5. 5. LES FICHES METHODOLOGIQUES COURSE EN COURS

Fiche n°1

Template automatisé

Fiche n°2

Génération CAO de la
veine d’air pour simulation

Préparation du modèle CAO
pour simulation, Mesure Sx

Fiche n°3
Fiche n°4

Fiche n°5

Définition des
Conditions limites

Fiche n°6
Maillage Surfacique
optimisé

Maillage volumique

Fiche n°7

Fiche n°8
Calculs

Template
automatisé

FINISH

Postraitement
Analyse des Résultats

16

CATAnalysis
STAR-CAT5

5. METHODOLOGIES COURSE EN COURS

5. 5. LES FICHES METHODOLOGIQUES COURSE EN COURS

Voici la liste des fiches, rattachées au processus de simulation CFD STARCAT5
pour Course en Cours :

Fiche n°1 – Préparer le modèle CAO

18

Fiche n°2 – Mesurer le Sx de votre MiniF1

22

Fiche n°3 – Générer la CAO de la veine d’air pour CFD

25

Fiche n°4 – Définir les conditions limites d’étude CFD

28

Fiche n°5 – Otpimiser le maillage surfacique

32

Fiche n°6 – Réaliser le maillage volumique

36

Fiche n°7 – Lancer les calculs

38

Fiche n°8 –Postraiter les résultats & analyses complémentaires

40

17

Fiche n°1 – Préparer le modèle CAO

1. Condition préalable : pour pouvoir utiliser facilement ce support et ses fichiers
CATIAV5 associés, il est nécessaire de respecter les contraintes CAO suivantes (celles
de la formation CATIAV5 pour CeC de Dassault Systèmes) :



La voiture est orientée dans le repère CAO global :

FICHE N°1

-



Axe Z vertical.
Axe X longitudinal vers l’avant.

Le repère CAO de la CATPart Carrosserie est défini sur l’axe arrière du
véhicule :

18

2. Optimisation du modèle CAO, préparation pour la simulation CFD :

FICHE N°1

Le but de cette étape est de simplifier la maquette numérique afin d’obtenir des
durées de calculs raisonnables, tout en garantissant des résultats cohérents par
rapport au contexte « Course en Cours ». Les templates utilisés ici se trouvent dans le
répertoire : 01 – preparation maquette numérique


Ouvrer un nouveau CATProduct et y insérer la CATPart de la
carrosserie à tester (Pas le CATProduct de la voiture complète).



Insérer dans ce CATProduct le template :
01 – Volume elec CeC2010 pour aero.CATPart
Ce template remplit l’espace inférieur accueillant l’ensemble moteur,
batterie, axe et roues arrières. Si le repère CAO est bien callé, ce
template arrive directement en position.

 Insérer dans le CATProduct le template :
02 – roues et axe avant pour aero.CATPart
Editer les Paramètres de ce template et
indiquer les valeurs du véhicule à tester.
Ces valeurs pourront être mesurées sur le
CATProduct du véhicule ou directement
récupérées auprès des élèves l’ayant conçu.

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Les paramètres a informer sont :
-

Rayon axe : rayon de l’axe avant, il faut indiquer une valeur
permettant de combler entièrement l’alésage.

-

Largeur roue : largeur roue avant

-

Rayon roue : rayon roue avant

-

Longueur axe : espacement entre les roues avant.

-

Empattement en x : entre axe entre les roues avant et arrière en x.

-

Empattement en y : entre-axe entre les roues avant et arrière en z.

FICHE N°1

Une fois ces valeurs indiquées l’ensemble roues avant et axe doit être automatiquement
positionné dans le product (Il est possible de ne pas indiquer les empattement et de mettre
des contraintes d’assemblage).

20



Générer à partir du CATProduct une CATPart :
(1) Dans le menu Outils / Générer une CATPArt à partir d’un Produit
(2) Sélectionner le Product et indiquer dans la fenêtre le nom de la Part à
générer (voiture CeC 2010 dans la capture ci-dessous)

FICHE N°1

Une CATPart contenant 4 corps est alors générée.
(3) Sélectionner les 3 corps contenant les éléments de la voiture, et
sélectionner « ajouter » dans la barre de tâches « opérations booléennes » de
l’atelier Part.

(4) Sauvegarder la CATPart ainsi générée. (Ici voiture CeC 2010.CATPart)
Votre voiture est désormais préparée pour la simulation.

21

Fiche n°2 – Mesurer le Sx de votre mini F1

Dès qu’une voiture roule à une vitesse supérieure à 65km/h, les effets aérodynamiques
de l’air sur la minif1 ont des effets résistants : cette force qui s’oppose à l’avancement
de la voiture est directement liée à son Cx : son coefficient de pénétration dans l’air
suivant l’axe de son déplacement. Plus ce Cx sera faible, plus le véhicule sera
performant.
Par définition le Cx est défini par :

Cx =

2 . Fx
ρ . V² . Aire

Avec :
-

Fx la résultante des efforts aérodynamiques résistants de l’air sur la voiture
(calculée par STARCAT 5).

ρ la masse volumique de l’air (connue).

-

V : la vitesse d’écoulement de l’air / voiture, soit 80km/h dans nos simulations
pour CeC.

-

Aire : appelé aussi « couple maître », surface de pénétration dans l’air Sx,
Surface projetée. Cette surface correspond à l’ombre que donne la voiture sur
un mur arrière lorsqu’elle est « éclairée » par l’avant (non calculée par
STARCAT5, donc à calculer sous CATIA V5).

FICHE N°2

-

Sx en mm²

22

1. Utilisation d’une macro CATIA V5 pour construire cette surface projetée (Département
GMP de l’IUT du Havre). Vous pourrez récupérer la macro dans le répertoire :
03 – Fiche n°2 – Mesure Sx
Conditions préalables : les mêmes recommandations CAO qu’en fiche n°1, c'est-àdire :
- CATPart CFD optimisée (Fiche n°1).
- Un seul corps, nommé (ou à renommer) F1CC.
- Axe longitudinal MiniF1 selon X.
- Plan YZ de cette CATPArt, arrière véhicule.

Principe de calcul : ni sections parallèles à YZ sont créées, à un pas de N selon X, un
volume « fin » est créé par cumul de ces sections. La surface de ce volume est la
surface projetée Sx à la précision du nombre d’itérations/Pas près.
Lancement de la macro CATIA V5 :
Ouvrez votre CATPArt MiniF1 optimisée pour CFD.
Lancez la macro :

FICHE N°2




23



FICHE N°2



Saisissez les valeurs de Pas et de Nombre de Sections :

La macro génère un corps « Section », dont vous n’avez plus qu’à mesurer
une face : la surface mesurée est Sx :

2. Prise en compte de ce résultat pour les analyses StarCat5, pour le calcul du Cx.

24

Fiche n°3 – Générer la CAO Veine d’Air

1. Attention à bien lancer CATIAV5 depuis l’icône STAR-CAT5-R19 (sinon STARCAT5 ne
sera pas chargé).

FICHE N°3

2. Ouvrez le Template CATIA V5 dans le package informatique :


Allez dans le répertoire : 01 – Preparation maquette numerique



Puis ouvrez : 03 – VeineAir-MiniF1CFD CeC 2010.CATPart

En aérodynamique externe, nous devons avoir un volume d’air important, permettant
de simuler de façon réaliste le mouvement de la MiniF1 dans son environnement réel
(infini). Pour information, il y a la même problématique avec les souffleries physiques :
leur volume doit être cohérent et adapté aux dimensions de l’objet à tester.
Une « bonne » soufflerie (et donc similairement pour nous, une « bonne » veine d’air)
doit respecter un rapport de blocage de 100 environ, c'est-à-dire que :

Asection soufflerie / ASection maxi du véhicule normal a l’ecoulement = 100
Cela permet d’avoir un volume d’air suffisamment grand pour représenter les
conditions limites réelles de l’objet (en arrière du véhicule pour visualiser la traînée et
le sillage), en hauteur et largeur pour que les pressions puissent tendre vers des valeurs
de pression atmosphérique, et en amont pour l’étude d’attaque d’écoulement du
véhicule. On part donc pour Course en Cours sur un volume de l’ordre Lx10, lx8, hx4.

25

3. Ouvrez votre MiniCFD.CATPart que vous avez optimisé (Fiche n01).

4. Copiez le corps principal : Sélectionnez le corps principal dans l’arbre, puis clic droit
« Copier » :

FICHE N°3

5. Basculez sur VeineAir-MiniF1CFD.CATPart, sélectionnez le corps principal, et clic droit
« collage spécial » :

Collez en tant que «résultat».

26

6. Sélectionnez le corps « MiniF1 » de l’opération booléenne, et faites un clic droit
« Remplacer » :

Sélectionnez le corps que vous venez de coller pour remplacer.
Supprimer le corps Mini F1

FICHE N°3

La veine d’air se recalcule (la mise à jour est automatique).

7. Régler le paramètre « réglage position basse veine air » pour que les roues dépassent
très légèrement de la veine d’air.

8. Sauvegardez sous VeineAir-Nomdelequipe.CATPart.

27

Fiche n°4 – Définir vos conditions CFD limites

1. Ouvrez CATPart de la veine d’air correspondant à votre MiniF1 optimisée pour la
simulation sous STARCAT5 :

2. Lancez l’atelier de simulation CFD STARCAT5 intégré à CATIA V5 :

FICHE N°4

3. Sauvegardez ce fichier CATAnalysis (type de fichier analyse numérique de CATIAV5)
MaminiF1-CFD.CATAnalysis.
Remarque : le code STARCAT5 tourne toujours en arrière plan. Ne fermez jamais cette
fenêtre. C’est une source d’informations très importantes (validité de la licence du
logiciel, état des lieux de la simulation en construction, temps de calculs, retour
d’erreurs, convergence des calculs, etc.

Vous allez sur votre veine d’air, définir dans un premier temps les conditions physiques
(conditions limites) de votre modèle numérique : vous allez sélectionner les données
d’entrées et vos choix de modélisation (notion de « mur »).

28

Veillez bien à renommer les caractéristiques saisies, cela facilitera le post-traitement des
résultats.
Définition du mur « Entrée »
Le mur « Entrée » correspond à la modélisation du flux entrant de l’air dans la veine
d’air de notre soufflerie virtuelle pour cette simulation CFD : sélectionnez la face X+ de
la veine d’air et réglez les caractéristiques suivantes (entrée à vitesse d’air normale à
60km/h). Cette vitesse, correspond à la vitesse moyenne d’une voiture CeC sur les 6
derniers mètres ainsi qu’à la vitesse maximale d’écoulement que nous pouvons
obtenir dans les souffleries CeC.

FICHE N°4



29

FICHE N°4



Définition du mur « VeineAirArrière »
La face arrière de la veine d’air, est la sortie de notre soufflerie virtuelle : vous
définissez sur cette face, le fait que l’écoulement aérodynamique est le résultat de
calcul de l’écoulement dans la veine d’air (flow split de 1).



Définition du mur « VeineAirCoté »
Les 3 faces latérales (murs gauche, droit et supérieur) de la veine d’air, sont les limites
de notre soufflerie virtuelle : vous définissez sur ces faces, le fait que l’écoulement
aérodynamique atteint les valeurs d’une veine d’air infinie, c'est-à-dire glissant (slip).



Définition du mur « Sol »
Le sol de la soufflerie virtuelle (face inférieure de la veine d’air) est important : en
effet, vous êtes obligé de le considérer comme un élément où le fluide a un
écoulement calculé (effet de sol par exemple). Sélectionnez la face inférieure et
réglez-la sur écoulement « Translating » avec une vitesse égale à celle de l’air
(60Km/h). S’assurer que la translation du sol soit dans la même direction que
l’écoulement de l’air (flèches jaunes de même direction).

30

FICHE N°4



Définition du mur « Unassigned.1 »
Votre modèle de CFD est entièrement défini : si vous observez l’ensemble des entités
géométriques que vous avez réglées, il ne reste que la peau de la MiniF1 qui se
retrouve donc être « Unassigned.1 » (ensemble des entités du modèle CAO de la veine
d’air non affectées manuellement, et donc préréglées sur « écoulement
stationnaire »).

31

Fiche n°5 – Optimiser le maillage surfacique

1. Introduction : STARCAT 5 est préréglé pour des calculs CFD d’aérodynamique interne,
c'est-à-dire que le niveau de détail de la CAO est équivalent à la taille du fluide à
simuler :

FICHE N°5

Pour les simulations en aérodynamique externe de Course en Cours, on note que le
détail de CAO de notre MiniF1 est beaucoup plus fin que l’échelle globale de la veine
d’air : les préréglages du mailleur de STARCAT5 ne sont pas adpatés : pour cette raison,
vous pouvez avoir des erreurs de maillage et certainement un maillage grossier de la
surface mouillée de votre MiniF1.

La solution est donc que vous optimisiez les réglages du maillage surfacique de votre
veine d’air. Vous avez pour cela, 3 outils à dispositions :


Définition de paramètres spécifiques de maillage par body :



Définition de paramètres spécifiques de maillage par face :



La possibilité de laisser au mailleur de ré-affiner localement le maillage selon la
géométrie de la veine d’air.

32

Le Maillage pour Course en Cours est le suivant :
Murs latéraux & supérieurs
Densité grossière de mailles

Mur inférieur (piste)
Densité moyenne

FICHE N°5

Peau MiniF1
Densité forte

La densité de maillage est réglée par un paramètre de taille (body size ou face
size) qui correspond à la taille de cellule élémentaire du maillage : par défaut cette
taille de maille est réglée à 5, c'est-à-dire que le maillage est effectué pour avoir
des cellules dont la dimension est 5% de celle de la boite enveloppe de la CAO du
fluide.
Pour une zone dense, on passera à une taille de 0.5%.
Pour une zone grossière, on passera à une taille de 5%.
Pour une zone moyennement dense, on passera à 2%.

33

2. Maillage optimisé – Affinage par body :
On commence par définir une taille de maille sur un corps. La minif1 étant un corps
unique, on pourrait croire que l’on définit un paramètre global de maillage, mais vous
allez définir des paramètres locaux spécifiques de taille pour toutes les autres faces de
la veine d’air. Vous définirez donc au final avec ce réglage du body size, la taille de
maillage de la peau de la MiniF1.

3. Maillage optimisé – Affinage par face :

FICHE N°5

Pour les 4 surfaces latérales et la surface supérieure, l’écoulement converge vers des
états très peu perturbés (on a fait attention à prendre une veine d’air conséquente
respectant un facteur de blocage de 100), donc ces surfaces peuvent être maillées
grossièrement, d’où le réglage de la face size à 5%.

Pour la piste (surface inférieure), il y a des phénomènes aérodynamqiues calculés,
mais nous interessant au plan secondaire. Vous allez donc mailler cette face avec une
densité moyenne, d’où le réglage de ce 2 ème face size à 2%.

34

Lancez un calcul de maillage surfacique : vous devez obtenir un maillage de l’ordre de
25-40 milliers de cellules, avec un temps de calcul rapide.
4. Maillage optimisé – Affinage global automatique :
Pour aller plus loin ou pour résoudre certains problèmes apparaissant à la création du
maillage surfacique, vous pouvez affiner le maillage surfacique sur la géométrie avec
de fortes modifications de courbures (congés & arrondis d’arêtes faibles, surfaces sur
la CAO de la MiniF1 de « petites tailles » etc.). Pour cela, il vous faut changer les
réglages par défaut du mailleur surfacique :
Menu STARCAT5 Advanced Settings  Surface Mesh  Mesh Controls

FICHE N°5

Voici quelques réglages interessants pour Course en Cours :

Onglet Auto-refinement
Activer Auto-Refinement
Refinement Iteration : 10
Triangle Size Ratio : 100%
Maximum Triangle Increase : 50%

Global Scale Factor : 1 (par défaut)
Curvature Length (Le plus important) : 0,015 Valeur
qui pourrait être modifier par la suite
Growth Ratio : 1.3 (par défaut)
Curve Smoothing Passes : 4 (par défaut)
Surface Smoothing Passes : 6 (par défaut)
Edges on a circle : 30
Merde Tolerance : 0,001 (par défaut)
Cad Repair Tolerance : 0,1
Remesh Surface : à désactiver
Remarque : Afin de visualiser le maillage, faites un clic-droit sur le noeud "Mesh" de
l'arbre et sélectionner l'option "Visualiser le maillage"

35

Fiche n°6 – Réaliser le maillage Volumique
1. Afin de résoudre localement, dans chacune des cellules élémentaires de la veine d’air,
les équations de mécanique des fluides, vous devez maillez en volumique l’air. Etant
donné, que le maillage surfacique (base du calcul pour la naissance des cellules à
partir des surfaces de la veine d’air) a été réalisé avec minutie, le maillage volumique
ne pose pas de problème.
Il faut tout de même faire attention à ce que la couche limite (offset de la peau de la
voiture et des murs) soit bien réglée, car n’oubliez pas que cette couche est, en
mécanique des fluides, très importantes et zone de création des phénomènes
aérodynamiques.

FICHE N°6

Pour régler cette couche limite :
Sélectionner la veine d’air et indiquer les valeurs ci-dessous :

Surface Depth : profondeur de la couche limite
Number of layer : nombre de couches superposées sur la profondeur
Fill Ratio : rapport de profondeur entre les couches

36

2. Lancez le calcul de maillage volumique :
Le calcul est plus long. Le maillage pour Course en Cours doit comporter environ
70000 cellules avec une densité cohérente (cf. maillage surfacique dans la fiche n°5).
Ce nombre de cellule est assez faible pour une simulation aérodynamique mais
permet en un temps de calcul réduit d’avoir des résultats cohérents pour nos besoins.
3. Pour allez plus loin, il est intéressant en aérodynamique externe d’étudier avec
minutie les effets de traînée provoqués par la MiniF1 : dans ce cas, il est nécessaire
que le volume de la veine d’air situé juste derrière la MiniF1 soit maillé finement. Pour
définir un maillage local plus fin que le global, on utilise l’outil d’affinage de maillage
volumique en l’utilisant avec une « source boxe ». La source box est une boite
parallélépipédique qui correspond à un volume d’air où les tailles de mailles seront
réduites.

FICHE N°6

Votre maillage volumique peut passer à 200-300 000 cellules (machine puissante
nécessaire).

37

Fiche n°7 – Lancer les calculs CFD

1. Avant de lancer les calculs de résolutions des équations de mécanique des fluides,
basculez dans la fenêtre STARCAT 5 – Output, et vérifiez dans l’onglet checker que
tout est au « vert ».

Pour obtenir une valeur de Cx cohérente, il faut double-cliquez sur les propriétés de
l'Air : dans l’Onglet "initialisation" et renseigner avec ces valeurs : Surface Référence
(Sx) (Fiche n°2) et Velocity Reference (Vx : 60Km/h).

FICHE N°7

2. Régler les paramétres de convergence du solver :
Menu STARCAT5 Physics Global settings ou
dans l’arborescence : double Clic sur CFD Solution Parameters

3. Lancez les calculs
4. Basculez dans la fenêtre STARCAT 5-Output et regardez l’évolution de la résolution des
équations (onglet residual plot) :

38

Ces graphiques correspondent aux résidus de convergence des solutions numériques
trouvées. Ils doivent, lorsque le nombre d’itérations de calculs tend vers l’infini,
tendrent vers 0.

FICHE N°7

Si ces résidus (Mass : pression - U,V,W MoM : Equation de moment - TEn : Turbulent
Energy - Diss : Taux dissipation) à la fin des itérations de calculs ne sont pas inférieurs
à 10-3 – 10-4 , les résultats numériques ont peu de chance d’être fiable physiquement.

7

39

Fiche n°8 – Postraiter les résultats et
analyses complémentaires

Lorsque le calcul de votre simulation ouvre le logiciel de Postraitement, l’arborescence des
exploitations des résultats est vide « Air(v)#1 ».
1. Ouvrez le Template STARCAT5 dans le package informatique (File – Open Template) :

FICHE N°8




Allez dans le répertoire : 02 - Postraitement
Ouvrez :post traitement CeC 2010.pvt

2. Les exploitations utiles pour une analyse aérodynamique externe sont déjà créées et
paramètrées :

40

FICHE N°8

Dans l’ordre privilégié d’analyse (pas nécessairement celui de l’arborescence) :


Air(v)#1 : préréglée pour voir la surface mouillée par l’air (peau de la
MiniF1) de la voiture. Cette vue permet d’obtenir les images
suivantes.



Section Y0-Pression : préréglée pour voir dans une section XZ (dans le
sens de l’écoulement) le maillage de l’air et de la MiniF1, et les
variations de pression en tout point.

41

Section Y0-Vitesse : idem, mais pour voir le champ de vitesse de l’Air
dans le sens de l’écoulement, et si vous activez Vector2… les vecteurs
vitesse en 3D.



Streamline : ces vues correspondent à des visions des lignes
d’écoulement, c'est-à-dire que vous visualisez les lignes de fumées
comme dans une véritable soufflerie (on injecte de la fumée ou des
particules colorées et on les suit dans la veine d’air).

FICHE N°8



42



IsoSurface P0 : cette vue correspond aux zones où la pression est
proche de 0, c'est-à-dire les endroits où il commence à y avoir
décollement de l’Air et donc début de formation de potentiels
tourbillons.

3. Manipulations des vues présentes pour adpatation personnelle :
Si vous désirez personnaliser ces vues de base pour CeC, voici les manipulations
élémentaires du logiciel de Postraitement STARCAT5.
chaque

vue

FICHE N°8

Pour

43

de

résultat :



Visible : affiche (en surimpression) les résultats graphiquement.



Clipped : si section, cache la partie se situant devant le plan de section.



Layer (calque) : pour positionner les objets entre eux (empillage).



Filled : l’objet est colorié.



Edge : pour visualiser les arêtes vives CAO.



Wireframe : pour visualiser les cellules du maillage.



Ensuite dans les sous-réglages de la vue :
-

-

Constant : objet colorié avec la couleur de son choix.
Scalar : objet colorié avec un résultat de calcul (exemple : Pressure
sur Airv(#1) pour avoir la peau de la MiniF1 avec le champ de
pression aérodynamique).
Opacity : transparence.



Pour les sections : la direction de sectionning et la valeur numérique
qui cale le plan de section (ex : Y0 = section par le plan de symétrie de
la MiniF1).



Pour tous les éléments « animables » (sections, streamline, champ de
vitesse, etc.) les valeurs mini/maxi et le nombre de Frames, utilisez le
player en haut pour jouer le film.

FICHE N°8

4. Pour la synthèse des valeurs numériques, résultats de la simulation CFD :
Allez dans la fenêtre de l’application StarCat5 OUTPUT (qui tourne toujours en
permanence derrière CATIAV5).


Résultante des efforts aérodynamiques résistants : Fx (attention à
votre repère).



Coefficient aérodynamique de pénétration dans l’air : Cx (attention à
votre vitesse de référence et votre couple maître – si vous ne les avez
pas mesurés ni réglés StarCat5, cette valeur n’a aucun sens).

Cx =

2 . Fx
ρ . V² . Aire

Aire = Sx = Couple maître = Surface projetée de la peau, dans la
direction de la MiniF1, soit x. (cf. Fiche n°2 pour mesure de Sx)

44

FICHE N°8

5. Sauvegarde et exploitation Off-line des résultats :


Chaque vue peut être sauvegardée de façon indépendante et être
rouverte sur n’importe quel PC (il suffit d’utiliser le player gratuit
starcatview.exe fourni dans le package) :
-

Activez votre vue.
Sauvegardez-la en scène : Menu, « Write STAR Scene File »

45

-



Pour faire une capture d’écran d’une vue :
-

FICHE N°8



Sur le PC où vous voulez montrer les résultats aux élèves (y copier
l’exécutable gratuit starcatview.exe) faire un drag&drop du fichier
.SCN sur l’exécutable.

Activez votre vue.
Lancez l’outil de capture d’écran : « Capture Screen ».

Pour enregistrer une animation d’une vue (en GIF animé ou AVI) :
-

Activer votre vue contenant une animation active.
Lancez l’outil d’export en Film : « Write Animation Movie »

Il est conseillé aux Centres de Ressources de fournir à chaque équipe un package identique
contenant à la fois des captures d’écran et des animations vidéos. Ces données pourront leur
servir efficacement dans leur présentation et leur Portfolio.
La rubrique Aérodynamisme du forum web Course en Cours présentera en cours de saison des
résultats de simulation obtenus dans les Centres de Ressources permettant à chaque équipe
de se situer par rapport aux autres .

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