Ansys Fluent pour l'optimisation de l'aérodynamique de TUM Hyperloop
Une équipe de TUM Hyperloop travaille sur diverses questions aérodynamiques. Leur métier est la CFD (c'est-à-dire les simulations d'écoulement), et Ansys Fluent est le premier choix pour cela. L'accent est mis sur la résistance de l'air lorsque la nacelle se déplace dans le tube. Fluent est utilisé pour modéliser et analyser une grande variété de scénarios et prendre les mesures pour réduire la résistance à la pression en fonction des résultats.
Hyperloop évoque la vitesse élevée et l’efficacité énergétique maximale, ainsi que les aspects aérodynamiques particuliers, que l'équipe de simulation doit prendre en compte. La pression de l'air dans le tube dans lequel se déplace la capsule est déjà très faible, de l'ordre de 1 000 pascals. Il est donc d'autant plus difficile de trouver des moyens de réduire encore la résistance à la pression. L'une des clés est le taux d'obstruction du tube et de la nacelle.
Une équipe aérologique l'analyse à des vitesses systématiquement très élevées pour de nombreux profils de vitesse et rapports de blocage différents. Cette équipe comprend Inés Velasco Martínez, Lucía Ojer Guerra, João Nicolau, Vladislav Kukharskii, Felix Herkenrath et Domenick Radeck.
C'est là qu'intervient la distinction importante entre un écoulement obstrué et un écoulement non obstrué. Les spécialistes de l'écoulement se réfèrent à la courbe limite de Kantrowitz (voir figure), qui montre la relation entre le taux d'obstruction et la vitesse (pod) (ou nombre de Mach). Plus la vitesse augmente, plus le taux de blocage diminue. La limite de Kantrowitz est la quantité maximale de contraction qu'un flux peut subir avant qu'il ne s'étrangle, et la vitesse du flux ne peut plus être augmentée au-delà de cette limite.
Progrès et résultats
Dans les conditions décrites ci-dessus, la tâche de l'équipe aérodynamique consiste à utiliser Ansys Fluent pour simuler différents scénarios de voyage. Ces simulations permettent notamment d'évaluer
- les effets des modifications géométriques sur l'aérodynamique de la nacelle.
- comment la traînée de pression change lorsque l'angle du nez de la nacelle est modifié.
- à quoi ressemblent les différents profils de vitesse qui résultent de l'extraction des profils de température, de pression et de traînée de pression à différents temps et taux d'accélération.
- ce qui se passe dans des scénarios Hyperloop spéciaux tels que le "convoyage", c'est-à-dire lorsque plusieurs nacelles sont exploitées successivement.
Le cluster de Garching offre une grande puissance de calcul
Dans ces tâches de simulation complexes, la qualité et la valeur informative des résultats augmentent avec la finesse du maillage du modèle. Ansys propose de puissantes technologies de maillage pour ces tâches, qui requièrent une puissance de calcul élevée. La puissance de calcul est également nécessaire pour les maillages complexes non structurés dans de grands domaines, ainsi que pour déterminer l'optimum dans un délai raisonnable pour de nombreux scénarios différents. L'équipe Hyperloop de la TUM ayant accès au cluster du Leibniz Supercomputing Center de Garching, le potentiel des simulations d'écoulement peut également être exploité du côté du matériel.
Résultats
Concernant la traînée de pression, l'équipe a obtenu de précieuses informations grâce aux simulations d'écoulement. Les évaluations ont montré que la traînée de pression n'augmente linéairement qu'après la phase d'accélération de la nacelle, ce qui signifie que les prévisions de l'évolution de la traînée peuvent être particulièrement bien établies à l'aide de la modélisation mathématique. Il a également été constaté que les taux de croissance diminuent à mesure que la vitesse augmente, alors que le taux de blocage reste le même. Le fait de voyager à des vitesses plus élevées signifie donc que l'on peut s'attendre à une augmentation plus faible de la résistance.
Vite, plus vite, Hyperloop
Partout dans le monde, on travaille sur l'Hyperloop, le système de transport incroyablement rapide du futur. L'équipe Hyperloop de la TUM, composée d'étudiants, de professeurs et de chercheurs de l'Université technique de Munich, est à la pointe de ces travaux. Grâce notamment à des outils de développement de pointe, la réalisation de la vision d'Elon Musk est à portée de main à la TUM. Cela inclut les simulations avec Ansys ainsi que le transfert de savoir-faire par CADFEM. Vers l'article de synthèse TUM Hyperloop & CADFEM
Perspectives : Simulation basée sur une vaste base de données
Le grand nombre de simulations réalisées jusqu'à présent a généré un immense réservoir de données. L'objectif de l'équipe est de transférer ces informations dans un "modèle de substitution". Celui-ci devrait permettre de prédire, entre autres, la résistance à la pression et la consommation d'énergie d'un trajet sans avoir à mettre en place une simulation complète. Les données d'entrée du modèle sont, par exemple, les taux d'augmentation de la résistance à la pression à différentes vitesses, les taux de blocage individuels et un profil de vitesse souhaité.
Le résultat est ensuite généré par interpolation et estimation des paramètres : Une prédiction de la progression de la résistance à la pression en fonction du temps de conduite pour des scénarios de conduite spécifiques à l'aide d'un modèle basé sur les données des simulations réalisées. Cela donnerait à l'équipe d'énormes possibilités supplémentaires pour déterminer d'autres potentiels.
