Qu’est ce que la Simulation CFD ?
La CFD est l’abréviation de «Computational Fluid Dynamics» (Dynamique des fluides numérique). Il s’agit d’un domaine de la physique qui inclut toutes les méthodes numériques permettant d’étudier un écoulement de fluide (liquides et gaz) dans un environnement donné.
Ce qui a longtemps été la norme dans les secteurs de l’automobile et de l’aérospatiale ne s’impose que lentement dans le secteur de la construction, mais reçoit un nouvel élan de la part du BIM. Tout comme les voitures ou les avions, les espaces et bâtiments numériques de la « soufflerie virtuelle » peuvent également être optimisés.
L’intégration de la simulation CFD dans le processus de conception est rassurante dans la mesure où elle permet de tester un modèle complexe en tant que modèle informatique avant d’engager des coûts de construction. La certitude de conception peut être établie, les scénarios pouvant être simulés avec précision, les résultats calculés étant affichés sous forme graphique, fournissant une représentation «facile à comprendre».
Les études CFD dans le bâtiment
Les études thermo-aéraulique sont particulièrement intéréssante pour les projets de grand volume et les pièces à plusieurs étages tel que les atrium qui ont tendance à perturber les mouvements de l’air et ne peuvent pas être facilement maîtrisés par les systèmes de traitement climatique.
Les simulations CFD aident à tester les mesures contre l’apparition de courants d’air, à démontrer le bon fonctionnement des concepts de chauffage et de ventilation et à optimiser les distributions de température dans les pièces ainsi que la répartition des vitesses d’air locales.
L’effort de planification supplémentaire est plus que compensé par l’optimisation des concepts climatiques du bâtiment, un confort accru pour les utilisateurs, une sécurité de planification accrue pour les maitres d’ouvrage ainsi qu’une économie des coûts d’investissement et d’exploitation des systèmes CVC.
L’utilisation des logiciels CFD et la vérification des résultats nécessitent un savoir-faire et de l’expérience.
- Quels courants d’air règnent dans un espace ?
- Les ouvrant de ventilation naturelle d’alimentation et d’extraction prévus sont-il suffisants ?
- A quel endroit sont-ils placés de manière optimale ?
- Faut-il s’attendre à des problèmes de courant d’air ?
- Les concentrations de polluants atteignent-elles des niveaux critiques ?
- Quels sera le niveau de confort des occupants ?
Ces questions et d’autres ne peuvent pas être clarifiées avec les méthodes de calcul conventionnelles standardisées.
En effet, dès que les concepts de pièce ou les profils d’utilisation s’écartent de la norme, des stratifications thermiques, des mouvements d’air entrainant des turbulences apparaissent ; les simulations offrent davantage de sécurité dans la conception.
Que permet la simulation CFD ?
La mécanique des fluides numérique (CFD) permet de modéliser le comportement des fluides.
Dans la conception des bâtiments, elle permet aux concepteurs d’étudier les conditions climatiques internes avant la construction, de tester plusieurs options et de choisir les solutions les plus efficaces.
La CFD peut être utilisé pour la modélisation :
- Le confort thermique des occupants.
- La distribution des conditions climatique dans un espace spécifique.
- L’efficacité des systèmes de traitement climatique (tels que le positionnement des entrées d’air et des extraits ou des radiateurs).
- Les conséquences d’un incendie (telles que la propagation de la chaleur et de la fumée).
- L’efficacité de la ventilation naturelle, notamment pour des espaces particuliers
- L’accumulation de chaleur dans les locaux spécialisés tels que les salles de serveurs.
- Le positionnement des capteurs. Par exemple, pour la température, la température des partie hautes peuvent être très différentes de la température en parties basses (atrium…). Cela peut être essentiel lors du positionnement de capteurs de température qui sont renvoyés au système de gestion de bâtiment.
- Etudier la propagation de polluant en milieu confiné (Laboratoire ; salle blanche…)
- Etudier le déplacement des poussières
Les simulations sont généralement exécutées pour différents scénarios en testant notamment les comportements sous différents niveaux d’occupation, différentes conditions climatiques, différents modes de service, avec différente ouvertures entre les espaces, etc.
La mécanique des fluides permet de calculer avec précision la vitesse de l’air, la température et les concentrations de gaz pour chaque point de l’espace.
Exemple d’application des études CFD
Inex peut vous aider dans la conception de votre bâtiment et de ses services en fournissant les simulations CFD suivantes :
- Amphithéâtres, Aréna, stades et autres grands espaces internes – Répartition de la fumée et de la température
- Confort thermique du bâtiment – Distribution de chaleur et de température
- Évacuation des bâtiments et sécurité incendie – simulation du désenfumage
- Optimisation des bâtiment – Études de ventilation naturelle et mécanique
- Parking souterrain – positionnement des capteurs de contrôle de la pollution et d’extraction des gaz d’échappement
- Ambiance de travrail – Analyse des variations de température et des vitesses d’air
- Data Center- Prévision des points chauds et évaluations des défaillances système
- Fabrication industrielle – Dispersion d’air / fumées d’échappement (processus industriel, laboratoires, gaz d’échappement de véhicules, cheminées / cheminées)
- Bureaux et hôtels, Bâtiments publics – Distribution de température dans les atriums
- Magasins réfrigérés – Prévision des températures de surface et du risque de condensation
- Etude de la pollution – Dispersion d’air / fumées d’échappement
- Urbanisme – Etude du confort des piétons et de la sécurité des vents (courants d’avancement, canalisation du vent entre les bâtiments)
- Conception de la ventilation industrielle
- Contamination dans une zone sensible
- Ventilation de la piscine ;
Une alternative aux tests en soufflerie ?
Les essais en soufflerie ont été largement utilisés pour les applications industrielles et de recherche au cours des cinq dernières décennies. Le débat sur la question de savoir si le test CFD ou en soufflerie constitue la meilleure solution pour les architectes est toujours d’ actualité, les deux méthodes fournissant un certain degré de connaissance et de compréhension de l’ environnement dans lequel la conception existe.
Les tests en soufflerie nécessitent une installation coûteuse et des instruments sophistiqués pour mesurer une gamme de variables de champ (vitesse du vent, charges de pression , intensité de la turbulence, etc.). Sa principale limitation réside dans le fait que de telles mesures ne sont obtenues qu’à quelques points précis de la section d’ essai , ce qui restreint considérablement la compréhension globale des processus évolutifs ou transitoires de phénomènes complexes instationnaires (tels que le déchiquetage par vortex, les sillages de turbulence et la stratification thermique).
La CFD offre de nombreux avantages par rapport aux essais en soufflerie. Le principale intéret et la modélisation des échanges thermiques de conduction, convection, rayonnement. En plus de générer des simulations à l’ échelle réelle (plutôt que des modèles à l’ échelle réduite pour de nombreuses simulations physiques), elle fournit également des données plus complètes pouvant être mesurées en laboratoire. Les résultats peuvent également être visualisés plus clairement en réalité augmenté.