Un fabricant d'équipements de chauffage et de refroidissement utilise Simcenter STAR-CCM+ pour gagner du temps et de l'argent en simulant rapidement plusieurs conceptions de pompes

Passer au virtuel

Les pompes sont les héros méconnus de nombreux aspects de nos vies. Elles assurent le bon fonctionnement de nos réseaux d'eau et d'assainissement, de la ventilation, du refroidissement des centrales énergétiques ainsi que de nombreuses autres applications.

Les ingénieurs-concepteurs de pompes sont confrontés à de nombreux défis lorsqu'ils cherchent à créer des produits nouveaux et plus performants. Les pompes doivent fonctionner efficacement dans diverses conditions, répondre aux normes gouvernementales d'efficacité et maintenir une fiabilité durable avec un minimum d'interruptions pour les réparations.

Les méthodes de conception traditionnelles s'appuient fortement sur le test de prototypes physiques. Cela peut s'avérer coûteux et chronophage, impliquant plusieurs cycles de conception/reconception et de test pour chaque nouveau produit. La création d'un prototype virtuel permet d'étudier rapidement plusieurs conceptions de pompes dans diverses conditions de fonctionnement, ce qui accélère le processus de conception tout en réduisant les coûts liés aux tests physiques. Taco Comfort Solutions (Taco) utilise cette approche pour commercialiser plus rapidement des pompes de meilleure qualité.

Conception et simulation

Taco utilise le logiciel Simcenter STAR-CCM+® comme laboratoire virtuel avant de créer et de tester des prototypes physiques. L'ingénieur produit Peter Vandal dirige les opérations de conception en mécanique des fluides numérique (CFD) chez Taco. Après l'importation de la géométrie depuis le logiciel SolidWorks, toutes les opérations de maillage, de simulation et d'analyse sont effectuées dans Simcenter STAR-CCM+, comme illustré sur le schéma 2. Pour chaque conception de pompe, la simulation CFD fournit une représentation tridimensionnelle complète de l'écoulement et des pressions à l'intérieur du corps de pompe.

"Nous pouvons effectuer des relevés à n'importe quel endroit du modèle, comme avec des sondes virtuelles", explique M. Vandal. "Par exemple, nous pouvons extraire les valeurs de pression statique ou de pression totale aux mêmes points que les sondes utilisées dans les tests en laboratoire, ce qui nous permet de comparer directement les résultats de Simcenter STAR-CCM+ avec l'application dans le monde réel."

Cette validation du modèle CFD donne à l'équipe une grande confiance dans les résultats de la simulation, ainsi qu'une vision prédictive des caractéristiques de performance telles que la hauteur manométrique, le rendement et le débit au point de meilleur rendement (BEP, Best Efficiency Point). Une fois que M. Vandal et son équipe obtiennent trois ou quatre concepts présentant des performances satisfaisantes dans Simcenter STAR-CCM+, ils passent à la construction et au test de leurs prototypes physiques. Même avec leur capacité à réaliser rapidement des prototypes (via l'impression 3D), chaque roue de pompe en stéréolithographie (SLA) coûte jusqu'à 2 500 $ à construire et à tester. L'exploration des performances de nombreux prototypes numériques dans Simcenter STAR-CCM+ permet de réaliser d'importantes économies de coûts et de temps, assurant une forte probabilité de réussite en une seule phase de test des prototypes et garantissant un délai de développement court.

Schéma 1 : Exemple d'une pompe de circulation Taco Comfort Solutions.

Simulation de la courbe complète de la pompe

M. Vandal et son équipe effectuent des simulations en régime permanent sur chaque conception, en testant plusieurs points d'écoulement pour déterminer le débit au BEP. Dans un monde idéal, les pompes fonctionneraient toujours près de leur BEP, mais ce n'est pas toujours le cas. Pour éviter les problèmes sur le terrain et répondre aux besoins des clients, il est essentiel d'examiner des débits éloignés des conditions nominales, afin de garantir la robustesse de la pompe sur l'ensemble de sa courbe de fonctionnement. M. Vandal décrit trois sections distinctes : "Sur la partie gauche de la courbe de la pompe, vous pouvez observer une chute excessive, ce qui n'est pas acceptable. Le BEP se trouve au centre, et sur la droite, vous devez examiner les conditions de fonctionnement à haut débit."

Taco effectue des simulations instationnaires dans Simcenter STAR-CCM+ afin d'analyser la courbe complète de la pompe.

"Nous initialisons le modèle CFD avec une simulation en régime permanent au point de meilleur rendement, puis nous modifions les conditions aux limites pour faire évoluer l'écoulement vers le débit extrême", explique M. Vandal.

Il a partagé un exemple de cas illustrant une conception peu performante dans la partie gauche de la courbe de performance (schéma 3) : "Lorsque le débit s'écarte des conditions nominales, l'écoulement dans la pompe peut devenir très instable (schéma 4). Si la chute de pression est trop importante sur le côté gauche de la courbe de la pompe, cela pourrait causer des problèmes lors du fonctionnement de pompes en parallèle. J'ai réussi à exécuter une simulation transitoire dans Simcenter STAR-CCM+ à 10 % et 50 % du débit au BEP en gallons par minute, afin de quantifier l'affaissement entre le point de hauteur maximale (50 %) et la hauteur proche du débit nul (10 %). J'ai utilisé la même méthode pour simuler différentes conceptions avant de construire les roues en SLA pour les tests en laboratoire. Les conceptions qui ont été soumises aux tests étaient celles qui présentaient de bons résultats non seulement au BEP, mais aussi à faible débit, avec une plus petite chute de pression sur le côté gauche de la courbe de performance."

Taco est convaincue que ses conceptions de pompes peuvent être encore plus robustes et fonctionner de manière aussi efficace et fiable que possible, même dans des conditions d'utilisation non optimales.

Schéma 3 : Exemple de courbe de performance pour deux cas de test. Les lignes pointillées montrent les résultats de Simcenter STAR-CCM+ et les lignes continues, les résultats des tests en laboratoire. Le cas A a montré une importante chute de pression (ΔA) entre 50 % du BEP (hauteur maximale) et 10 % du BEP. La reconception de la roue (cas B) a permis de réduire cette chute de pression (ΔB).

Schéma 2 : Un modèle de pompe est conçu dans un logiciel de CAO, puis importé dans Simcenter STAR-CCM+ (premièrement), où il est maillé (deuxièmement) et simulé (troisièmement).

Rationaliser les flux de travail

L'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ pour les tests virtuels a accéléré le processus de conception de Taco et réduit les coûts associés aux tests physiques.

"Quand je repense aux premières pompes sur lesquelles j'ai travaillé il y a quelques années, nous commandions des pièces pour les tests, elles étaient défectueuses et nous devions recommencer tout le processus de conception, de commande et de test", raconte M. Vandal. "L'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ nous permet d'éviter les multiples recommencements et d'accélérer considérablement notre cycle de conception."

"Lorsque nous avons commencé à utiliser Simcenter STAR-CCM+, nous n'avions pas beaucoup de données de test en laboratoire pour corréler avec les résultats de la CFD. Nous ne connaissions donc pas les meilleurs paramètres de modélisation à utiliser, par exemple pour la rugosité ou les écoulements de fuite. Nous disposons désormais d'une bibliothèque de données de test en laboratoire qui valident les résultats de Simcenter STAR-CCM+, et nous connaissons les meilleurs paramètres de modèle à utiliser pour obtenir des résultats précis."

Mais Taco est déterminée à simplifier davantage son processus de conception. "Nous cherchons constamment des moyens d'optimiser l'utilisation du logiciel", commente M. Vandal. "Chaque fois que nous passons deux heures sur une tâche, nous nous demandons comment nous pourrions la réaliser en 50 minutes ? Nous voulons travailler plus intelligemment avec le logiciel, pas plus difficilement."

M. Vandal et son équipe ont travaillé en étroite collaboration avec leur ingénieur support dédié (DSE) de Siemens pour optimiser leurs simulations.

"C'est formidable d'avoir un interlocuteur dédié chez Siemens qui connaît nos processus et collabore avec nous pour trouver des solutions", explique M. Vandal. Taco a collaboré avec son DSE pour développer un processus rapide de test multi-conception en utilisant la fonction d'échange de pièces de Simcenter STAR-CCM+. Une fois le modèle configuré et exécuté dans Simcenter STAR-CCM+, la fonction d'échange de pièces permet à M. Vandal de remplacer uniquement la roue ou la volute par une autre conception, tandis que les paramètres du modèle CFD et les conditions aux limites restent inchangés, comme illustré dans le schéma 5. Simcenter STAR-CCM+ régénère ensuite rapidement le maillage et calcule une nouvelle solution.

"Nous utilisons une convention de nommage normalisée dans SolidWorks. Ainsi, lorsque je souhaite modifier une pièce dans le modèle Simcenter STAR-CCM+, il me suffit de cliquer sur le bouton de remplacement de pièce et de lancer une nouvelle simulation", explique M. Vandal. "Nous apprécions cette méthode de travail, car elle nous permet de tester plusieurs cas successivement en utilisant le même maillage et les mêmes paramètres de simulation. Cela permet non seulement d'exécuter rapidement plusieurs simulations, mais nous donne également l'assurance que les résultats seront cohérents et reproductibles."

Taco a également créé des macros Java pour automatiser le processus de maillage et de simulation, permettant de générer automatiquement les courbes de pompe. Les processus automatisés comme celui-ci aident Taco à progresser vers son objectif de réduire de moitié le temps actuel de conception.

Taco se tourne également vers l'avenir, cherchant à exploiter les connaissances acquises au cours des deux dernières années. Greg Case, directeur technique (CTO), déclare : "Nous comptons sur notre utilisation stratégique de la simulation CFD pour nous aider à devancer la concurrence sur le marché avec des pompes plus performantes et à augmenter notre part de marché."

M. Vandal explique : "L'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ nous permet avant tout d'accélérer notre processus de conception itératif dans un secteur hautement concurrentiel. Nous voulons être certains que lorsque nous investissons dans des tests en laboratoire ou dans l'outillage de pièces, les résultats auront de fortes chances de succès. Simcenter STAR-CCM+ nous permet d'être confiants. En substance, nous souhaitons éliminer la boucle de rétroaction entre les tests en laboratoire et la phase de conception afin que chaque conception de pompe nécessite le moins de tests possible.

"Nous souhaitons explorer numériquement et confirmer physiquement plutôt que l'inverse. Compte tenu de la bibliothèque de données de tests de SLA que nous avons constituée avec des pièces de SLA et métalliques, et de la confiance que nous accordons aux données Simcenter STAR-CCM+ générées jusqu'à présent, je souhaite viser un avenir où nous n'utiliserons plus les tests de SLA mais passerons directement de Simcenter STAR-CCM+ aux tests sur les roues métalliques. C'est un peu risqué, mais je pense que c'est possible. Cela nous permettra d'économiser du temps et de l'argent, ce qui nous permettra de commercialiser plus rapidement de nouvelles pompes, plus efficaces et plus fiables."

Schéma 5 : L'échange de pièces permet de modifier rapidement la roue, tout en conservant le reste de la géométrie. Les résultats sont facilement comparables car tous les paramètres de maillage et de physique sont identiques.

Schéma 5 : L'échange de pièces permet de modifier rapidement la roue, tout en conservant le reste de la géométrie. Les résultats sont facilement comparables car tous les paramètres de maillage et de physique sont identiques.

Schéma 4 : Lorsque la pompe fonctionne à des débits très éloignés des conditions nominales (premier cas), l'écoulement dans la pompe devient nettement instable avec une recirculation beaucoup plus importante par rapport à l'écoulement au BEP (second cas).