Ansys et le sanitaire
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La simulation pour un monde plus sain et durable
L’eau est une ressource précieuse que nous devons préserver pour un monde durable. La simulation peut nous y aider, même en faisant notre toilette ou lors de notre douche matinale. En effet, les fabricants comme Hansgrohe et Geberit, spécialistes dans les produits de salle de bains et du sanitaire, leaders sur leur marché, qui opèrent avec un focus particulier sur la responsabilité sociale, la protection de l’environnement et l’orientation durable.
Ces fabricants ont réussi à tirer parti des différents avantages de la simulation et ont développé des produits innovants de pointe favorisant l'économie d'eau et d'énergie en un minimum de temps.
Découvrez en les résultats des simulations numériques appliquées aux produits sanitaires !
Les simulations ci-dessous sont extraites du magazine spécialisé Simulation - CADFEM Journal
Conception d'une cuvette de toilettes asymétrique
Chez Geberit, les simulations sont utilisées tout au long du processus de développement. De la phase de conception, en passant par le développement de produits et l'ingénierie des processus jusqu'à l'analyse des produits faisant l'objet d'une plainte. La simulation permet à Geberit de répondre aux exigences élevées imposées à ses produits qui doivent fonctionner sans entretien pendant 50 ans.
Géométrie intérieure asymétrique de la cuvette des toilettes
TurboFlush : une technologie dernièrement développée, basée sur une géométrie interne asymétrique de la cuvette des toilettes développée et brevetée par Geberit. Elle aurait été inenvisageable sans logiciel de CFD. TurboFlush assure un rinçage totalement efficace et silencieux de la cuvette des toilettes. Cela permet de réduire la consommation d'eau, car tout est généralement propre en une seule fois.
L'objectif était de mettre au point une géométrie de toilettes capable d'utiliser l'eau de remplissage d'un réservoir aussi efficacement que possible lors de l’activation de la chasse d'eau. Pour cela, l'eau doit d'abord entrer dans la cuvette sans perte de débit afin qu'elle puisse y développer pleinement sa puissance de rinçage, en utilisant un chemin sans obstacles pour l’eau, ce qui signifie, dans la mesure du possible, aucune collision à l'entrée de la cuvette en céramique et lors de son cheminement et bien sûr aucune collision de l'eau avec elle-même pour éviter les turbulences.
Une performance de rinçage unique
En utilisant divers outils CFD, les développeurs de Geberit ont pu tester virtuellement plus de cent variantes de leurs conceptions avant de décider de construire des prototypes pour valider l'état de chaque version. La simulation et les tests de prototype ont donné la préférence à la conception asymétrique avec une entrée d'eau latérale. Il en résulte une performance de rinçage unique tout en utilisant moins d’eau pour le rinçage avec une valeur nominal allant jusqu’au 3,0 litres par rapport à 12,0 litres utilisés pour tirer la chasse dans le passé.
Tout le monde sait qu'après avoir tiré la chasse une première fois, il y a encore des particules ou du papier dans le siphon. Ou que la brosse des toilettes doit être utilisée pour éliminer toute trace. TurboFlush rend ces rinçages superflus ou les réduits au minimum.
Une cuvette de toilettes sans bord est facile à nettoyer
Une impulsion maximale pour moins de pistes restantes
Avec la chasse d'eau TurboFlush, la nouvelle géométrie de la cuvette sans bord - la saleté et le tartre pouvant adhérer sous le bord - garantit un flux d'environ 2,0 litres par seconde, idéalement guidé sur les surfaces. Cela permet de réduire considérablement les traces restantes dans la cuvette et d'obtenir une impulsion maximale dans le siphon par lequel les solides sont évacués.
Une réduction du bruit de la chasse d'eau
Les ingénieurs de Geberit ont pu, grâce aux simulations, concevoir une chasse d’eau une qui fonctionne beaucoup plus silencieusement. Les réductions de bruit ont été obtenues, entre autres, par un guidage du flux à faible turbulence de l'eau de rinçage, qui est donc moins mélangée à l'air que dans les concepts de rinçage classiques.
Un cycle complet de variantes en 24 heures seulement
Gâce à la simulation, un cycle complet de variantes a pu être réalisé en seulement 24 heures. Cela comprend les changements de géométrie discutés avec le département de conception ainsi que les modifications nécessaires du prototype virtuel. Les nouveaux calculs sont effectués pendant la nuit, de sorte que les résultats de simulation sont disponibles et analysés au matin.
Une visualisation du modèle de simulation sous différents angles
La simulation a permis une analyse localisée du débit de l'eau tout au long de son cheminement. Dans un laboratoire réel, l’opération de chasse d’eau est terminée en cinq secondes environ. Bien que le délai puisse être ralenti avec les caméras à grande vitesse, on est toujours limité à un seul angle de vue. Alors que la simulation permet de visualiser le modèle sous n'importe quel angle et à tout moment. On a également des indications sur les conditions d'écoulement qui ne peuvent être observées lors d'essais avec une véritable cuvette de toilettes, car la cuvette n'est pas transparente.
Le modèle de simulation peut être visualisé sous n'importe quel angle et à n'importe quel moment
Une cuvette de conception asymétrique avec une entrée d'eau sur le côté
Le plaisir de prendre une douche prend une autre dimension
Hansgrohe utilise la simulation numérique depuis plus d’une décennie, réduisant ainsi le temps et l’effort requis dans le processus de développement du produit. Les disciplines de calcul sont maîtrisées avec les outils Ansys, ce qui permet un couplage du calcul des fluides et des structures avec des interfaces au système CAO existant optimales.
Un large éventail de domaines d’application pour Ansys
Les analyses IAO sont basées sur Ansys Workbench Preprocessing et sont considérablement accélérées par l’utilisation de solutions de résolution à distance HPC. Les domaines d’application d’Ansys sont multiples : qu’il s’agisse d’essais de chute explicites pour les douches manuelles, de simulations de chocs pendulaires pour les armatures, de calculs FEM statiques non linéaires implicites pour divers assemblages, de calculs couplés fluide-structure pour les vannes, de conceptions de joints explicites ou de tâches de débit transitoire.
Vue en coupe montrant une interaction fluide-structure (FSI)
Accélération grâce au calcul haute performance
Depuis des années, Hansgrohe utilise systématiquement des solutions HPC pour accélérer les simulations. Avec le calcul haute performance (HPC) et l'utilisation supplémentaire d'unités de traitement graphique (GPU) pour le calcul, des gains de temps significants sont obtenus.
Jochen Armbruster, responsable de l'IAO, du prototypage rapide et de la gestion de la technologie chez Hansgrohe explique : "Dans notre cas, toutes les workstations des calculateurs sont adaptées à une utilisation HPC, et nous avons également pu faire appel à l'expertise de CADFEM en matière de sélection de matériel et avons reçu de bons conseils." À long terme, les workstations individuelles doivent être remplacées par une configuration centrale afin de minimiser l'effort d'administration.
Cela a déjà été réalisé pour les workstations de CAO, de sorte que les concepteurs peuvent également accéder à une puissante plate-forme matérielle exécutant leur système de CAO à tout moment depuis le home office ou d'autres sites.