Simulation d’ingénierie : passé, présent et futur (D’hier  à demain)

Bill Clark, vice-président exécutif chez CD-adapco, considère que les succès de l’ingénierie assistée par ordinateur se perçoivent à travers les “trois âges de la CFD”

CFD (Computational Fluid Dynamics) est une méthode utilisée pour résoudre des problèmes complexes d’ingénierie, à l’aide de logiciels coûteux, d’énormes ressources informatiques et d’ingénieurs hautement qualifiés. Si les problèmes n’étaient pas difficiles à résoudre, nous  n’y consacrerions pas autant de temps et d’argent pour trouver des solutions. Du point de vue d’un ingénieur moderne, il serait facile de supposer que cette volonté d’appliquer la technologie de simulation pour résoudre des problèmes complexes est une préoccupation récente et que seulement aujourd’hui nous sommes en mesure d’envisager de résoudre des problèmes industriels complexes, maintenant armés d’un éventail d’outils de simulation multi-physiques.

Cette perception est erronée. Il y a une vingtaine d’années, la CFD commerciale est née de la volonté de résoudre des problèmes de turbulence, de transfert de chaleur, et de combustion. Cette méthodologie fut basée sur la vision d’un petit groupe de pionniers en recherche et développement qui ont été en mesure de voir au-delà des maigres ressources informatiques disponibles à l’époque, et de mettre au point des techniques et méthodes qui seraient finalement capables de révolutionner l’ingénierie.

Le maillage en CFD prenait alors des semaines, voir des mois à construire, généralement par un processus de “maillage à la main”  par lequel un ingénieur (généralement qualifié, PhD) construisait laborieusement un maillage vertex par vertex. Bien que les technologies d’automatisation du maillage commencèrent à devenir disponibles au début des années 90, elles étaient loin d’être fiables, particulièrement lorsqu’il s’agissait de définir les couches de cellules prismatiques qui étaient requises pour capturer avec précision les couches limites. Un autre problème de cette époque est que la technique avait tendance à générer plus de cellules que les maigres ressources informatiques du temps pouvaient traiter. En 1994, je me souviens d’avoir soumis  pour la première fois une simulation Star-CD qui se composait de 750 000 cellules tout en appréhendant voir de la fumée sortir de la grande boîte Unix qui se trouvait sous mon bureau.

Les délais requis pour analyser plusieurs variations sur différents designs rendaient cette manoeuvre impraticable. C’est ce qui a caractérisé le premier âge de la CFD. Obtenir des résultats grâce à la simulation était difficile. On employait la CFD à la fin du processus de conception (design) pour valider notre concept ou pour se dépanner quand toutes les autres tentatives de résolutions de problèmes avaient échouées.

Le deuxième âge de la CFD a débuté avec l’arrivée des ordinateurs Linux qui étaient plus abordables et qui ont permis une réduction des coûts reliés aux licences d’utilisation ainsi que des délais pour l’obtention de résultats beaucoup plus fiables. Par conséquent, la simulation d’ingénierie a commencé à s’établir comme la partie centrale du processus de conception, survenant plus tôt et en fournissant un flux constant de données de simulation qui pouvaient être utilisées pour orienter les décisions de conception. De plus en plus, la simulation a commencé à supplanter les essais physiques en tant que moyen de vérification des designs. L’étendue des problèmes que nous pouvions résoudre s’élargissait au-delà des principales disciplines de la CFD soit la mécanique des fluides et le transfert de chaleur. Nous avons commencé à examiner les problèmes d’interaction fluide-structure, d’écoulement multi-phases et les réactions chimiques. Avec une petite dose d’ingéniosité, il y a très peu de problèmes où la simulation d’ingénierie ne pouvait pas donner au moins un aperçu de la solution.

Ce qui nous amène à aujourd’hui, à l’aube du troisième âge de CFD, où les lignes entre CFD et mécanique des structures sont en train de devenir floue. Dans le monde de l’ingénierie moderne, il n’y a plus vraiment de problème facile à résoudre. Afin de répondre à la demande de l’industrie, il ne suffit plus de faire un peu de CFD ou certaines analyses de stress.  Les problèmes industriels complexes exigent des solutions qui couvrent une multitude de phénomènes physiques qui souvent ne peuvent être résolus qu’en utilisant des techniques de simulation qui se réfèrent à plusieurs disciplines d’ingénierie.

Ce que les clients demandent vraiment, c’est la capacité d’avoir une vue d’ensemble. La simulation de systèmes en entiers, plutôt que ses différents éléments, doit tenir compte de tous les facteurs qui sont susceptibles d’influencer les performances du produit tout au long de sa durée de vie.

En bref, ils veulent simuler la performance de leur concept dans le contexte où il sera utilisé.

Alors que les générations précédentes d’ingénieurs pouvaient avoir un certain confort en s’appuyant sur les essais physiques pour valider les résultats, l’ingénierie assistée par ordinateur est en quelque sorte victime de son succès à mesure qu’elle remplace les essais physiques. Bien que la hausse de confiance dans la simulation est bien méritée et a été durement gagnée grâce à de nombreuses années de prédiction valide, elle apporte beaucoup de pression pour obtenir « la bonne réponse » à chaque fois.

Une partie importante de ceci est « l’exploration de conception automatisée », dans laquelle les résultats de simulation engendrent automatiquement des améliorations au niveau de la conception (design), avec une implication minimale de l’ingénieur (autres que de définir le problème initial et les contraintes de conception).  Avec cette approche, la CFD est utilisée pour constituer des bases de résultats de simulation qui permettent d’explorer la gamme complète des scénarios d’utilisation, ou bien elle est liée aux technologies d’optimisation afin de déterminer automatiquement la meilleure solution à un problème donné.

L’ampleur des changements des techniques de simulation au cours des deux dernières décennies est telle que nous ne pouvons pas raisonnablement prédire ce qui se passera dans 20 ans. Mais, quelle que soit la nature de ces changements, j’espère que le SCW (Scientific Computing World) sera toujours présent pour les rapporter.

 

Web source : http://www.scientific-computing.com/features/feature.php?feature_id=306

Scientific Computing World: Août/septembre 2014