ShockFluidX : Un solveur modulaire novateur basé sur OpenFOAM pour les écoulements à grande vitesse

Ingénierie Génie mécanique Génie aérospatial
Dynamique des fluides numérique Écoulements à grande vitesse OpenFOAM Solveur modulaire Raffinement de maillage adaptatif

Contexte académique

La technologie hypersonique est un domaine de recherche important dans le domaine aérospatial, couvrant des applications critiques telles que la défense, les lancements spatiaux et l’aviation commerciale à grande vitesse. Avec le développement rapide de la dynamique des fluides computationnelle (Computational Fluid Dynamics, CFD), les simulations CFD de haute précision jouent un rôle de plus en plus crucial dans la conception des véhicules hypersoniques. Cependant, bien que les cadres CFD open source comme OpenFOAM soient largement utilisés, les solveurs basés sur la densité existants rencontrent de nombreuses limitations lorsqu’il s’agit de répondre aux besoins complexes de la conception moderne des véhicules hypersoniques. En particulier, les coûts élevés des licences des logiciels commerciaux et leur nature propriétaire limitent leur adoption généralisée, tandis que les outils open source existants présentent encore des lacunes en termes de maturité des algorithmes, de complétude fonctionnelle et de validation.

Pour résoudre ces problèmes, l’équipe de Shang Wang et Xiaobing Zhang de l’École d’ingénierie énergétique et de puissance de l’Université de science et de technologie de Nanjing a développé un nouveau solveur modulaire pour les écoulements compressibles basé sur OpenFOAM v12, appelé ShockFluidX. Ce solveur, construit sur le cadre existant de ShockFluid, introduit plusieurs innovations clés visant à améliorer l’efficacité et la précision des calculs, en particulier pour les problèmes d’écoulement hypersonique complexes. Cette recherche a été publiée le 18 avril 2025 dans la revue Physics of Fluids sous le titre “ShockFluidX: A Novel OpenFOAM-Based Modular Solver for High-Speed Flows”.

Processus de recherche et innovations

1. Architecture et conception du solveur

Le design de ShockFluidX repose sur l’architecture modulaire d’OpenFOAM v12, en intégrant l’algorithme PIMPLE pour atteindre une stabilité comparable aux schémas temporels de Runge-Kutta, tout en maintenant l’efficacité computationnelle. Les modules fonctionnels principaux du solveur incluent :

  • Module FluxSchemes : Implémente plusieurs méthodes de calcul des flux convectifs, telles que Kurganov, Tadmor, Roe, la famille HLL et AUSM.
  • Module FluxLimiters : Introduit plusieurs limiteurs de flux à haute résolution de diminution de la variation totale (Total Variation Diminishing, TVD), incluant SGVA, SGVL, SGPRK et SSFL.
  • Module MultiDimAMR : Prend en charge le raffinement de maillage adaptatif multidimensionnel (Adaptive Mesh Refinement, AMR), y compris l’équilibrage dynamique des charges pour les maillages 1D, 2D, 2.5D et 3D.
  • Module FVModels : Gère les processus physiques complexes et leurs interactions avec le solveur principal, tels que les particules lagrangiennes, le rayonnement et les films de surface.
  • Module FVConstraints : Gère les contraintes numériques et les limites des solutions, assurant la stabilité et les limites physiques.

2. Méthodes numériques et extensions

ShockFluidX a étendu ses méthodes numériques pour améliorer sa capacité à traiter les écoulements hypersoniques :

  • Extension des schémas de flux convectifs : Grâce au mécanisme de sélection à l’exécution (Run-Time Selection, RTS), les utilisateurs peuvent choisir dynamiquement différentes méthodes de calcul des flux convectifs, telles que Kurganov, Tadmor, Roe, HLLC et la famille AUSM.
  • Implémentation de limiteurs de flux à haute résolution : Introduit plusieurs limiteurs de flux à haute résolution, tels que SGVA, SGVL, SGPRK et SSFL, ainsi que les schémas de la famille Round, améliorant significativement la précision et la stabilité numériques.
  • Développement du raffinement de maillage adaptatif multidimensionnel (AMR) : En modifiant et en intégrant des contributions de la communauté pour les cas 2D et axisymétriques, l’équipe a implémenté l’AMR multidimensionnel pour les cas 1D, 2D, 2.5D et 3D, avec support de l’équilibrage dynamique des charges (Dynamic Load Balancing, DLB).

3. Études de vérification et de validation

Pour valider les performances de ShockFluidX, l’équipe a mené des études systématiques de vérification et de validation, couvrant des problèmes unidimensionnels simples jusqu’à des écoulements bidimensionnels complexes. Les principaux cas de validation incluent :

  • Problème du tube à choc 1D : En comparant les solutions numériques des problèmes de Sod et Lax avec les solutions exactes, l’efficacité de l’algorithme PIMPLE pour améliorer la stabilité et la précision des calculs a été validée.
  • Problème de Shu-Osher : En simulant la propagation d’une onde de choc Mach 3 à travers un champ de densité sinusoïdal, les performances supérieures des limiteurs de flux à haute résolution pour capturer les interactions choc-turbulence ont été démontrées.
  • Problème de Riemann 2D : En simulant des interactions d’ondes complexes, la capacité de ShockFluidX à traiter des écoulements multidimensionnels a été validée.
  • Problème de la réflexion double Mach : En comparant les résultats de différents solveurs et stratégies de maillage, l’efficacité des modules AMR multidimensionnels et d’équilibrage dynamique des charges pour améliorer l’efficacité et la précision des calculs a été validée.

Résultats principaux et conclusions

1. Problème du tube à choc 1D

Dans les simulations numériques des problèmes de Sod et Lax, ShockFluidX a démontré une stabilité et une précision supérieures à RhocentralFoam et BlastFoam. En particulier, avec l’utilisation de l’algorithme PIMPLE, ShockFluidX a significativement réduit les oscillations numériques, assurant la stabilité et la bornitude des solutions.

2. Problème de Shu-Osher

Avec le support des limiteurs de flux à haute résolution, ShockFluidX a surpassé le limiteur van Leer traditionnel dans la capture des interactions choc-turbulence. En particulier, avec les limiteurs SGVA, SGVL, SGPRK et SSFL, ShockFluidX a significativement réduit la dissipation numérique, améliorant la capacité de capture des chocs.

3. Problème de Riemann 2D

Dans les simulations numériques du problème de Riemann 2D, ShockFluidX a démontré une précision et une stabilité supérieures aux limiteurs traditionnels. En particulier, avec les limiteurs de la famille Round, ShockFluidX a mieux capturé les structures d’instabilité de Kelvin-Helmholtz (K-H) le long des lignes de glissement.

4. Problème de la réflexion double Mach

Avec le support des modules AMR multidimensionnels et d’équilibrage dynamique des charges, l’efficacité de calcul de ShockFluidX dans le problème de la réflexion double Mach a été significativement améliorée. Comparé à BlastFoam et RhocentralFoam, ShockFluidX a réduit le temps de calcul de 15 % à 260 % tout en maintenant la même précision.

Importance et valeur de la recherche

Le développement de ShockFluidX marque une avancée importante dans les outils CFD open source pour la simulation des écoulements hypersoniques. Sa conception modulaire et ses méthodes numériques à haute résolution améliorent non seulement l’efficacité et la précision des calculs, mais fournissent également un outil de simulation puissant pour les futures applications de couplage multiphysique. La validation réussie de ce solveur ouvre de nouvelles possibilités pour les simulations CFD de haute précision dans les applications d’ingénierie aérospatiale, en particulier pour les problèmes d’écoulement hypersonique complexes.

Points forts de la recherche

  • Conception modulaire : L’architecture modulaire de ShockFluidX facilite l’intégration de nouvelles fonctionnalités tout en maintenant la maintenabilité du code et l’efficacité des calculs.
  • Méthodes numériques à haute résolution : En introduisant plusieurs limiteurs de flux à haute résolution et les schémas de la famille Round, ShockFluidX améliore significativement la précision et la stabilité numériques.
  • AMR multidimensionnel et équilibrage dynamique des charges : ShockFluidX prend en charge l’AMR multidimensionnel 1D, 2D, 2.5D et 3D, avec un équilibrage dynamique des charges, améliorant significativement l’efficacité et l’utilisation des ressources.

Perspectives futures

Les recherches futures se concentreront sur les aspects suivants : - Implémentation de schémas de flux convectifs supplémentaires : Comme HLLC-LM, pour permettre des calculs à tous les nombres de Mach. - Extension des fonctionnalités AMR multidimensionnelles : Pour supporter le raffinement anisotropique des maillages polyédriques arbitraires. - Validation des modules multicomposants et lagrangiens : Pour améliorer davantage l’applicabilité du solveur dans les applications d’ingénierie complexes.

Grâce à une optimisation et une extension continues, ShockFluidX a le potentiel de devenir un outil de référence dans la simulation des écoulements hypersoniques, fournissant des solutions de simulation numériques plus précises et efficaces pour l’ingénierie aérospatiale.