Défense et aérospatial

Applications de la simulation CFD dans le secteur de la défense et de l’aérospatial

Face aux défis technologiques et aux dépenses que représentent campagnes d’essais et prototypage – particulièrement importantes dans le secteur de la défense et l’aérospatial, la simulation de dynamique des fluides numérique (CFD) est un outil essentiel pour la conception et l’innovation dans ce secteur. L’expertise d’OptiFluides intervient tant par les études de dimensionnement que par le développement de modèles voire de codes spécifiques à cette industrie de pointe. Quelques exemples d’applications de la CFD pour la défense et l’aérospatial sont donnés.

Conception et optimisation des véhicules

• Aérodynamique des avions, engins spatiaux et drones : La CFD simule l’écoulement de l’air autour des avions militaires, permettant d’améliorer la finesse, la maniabilité et optimiser la consommation de carburant. Ces modélisations aident ainsi à optimiser les profils d’aile, la forme du fuselage et des stabilisateurs, en simulant les conditions de vol à différentes altitudes et vitesses. Notamment, la simulation des cas de vol super et hypersoniques est particulièrement cruciale, pour intégrer précisément les effets de choc, de la turbulence et la production intense de chaleur.
• Hydrodynamique des navires et sous-marins : En simulant l’écoulement autour des coques de sous-marins, il est possible de caractériser et de réduire la résistance hydrodynamique, d’améliorer la stabilité et de minimiser le bruit acoustique des sous-marins (généré notamment par la turbulence), indispensable pour les opérations furtives.
• Véhicules terrestres militaires : La simulation CFD aide à optimiser les performances aérodynamiques, la consommation et la gestion thermique des véhicules blindés et de transport militaires.

Amélioration des systèmes d’armement et des trajectoires balistiques

• Simulation balistique : Afin de prédire la trajectoire des projectiles mais aussi et surtout d’optimiser la précision, la portée et la stabilité des systèmes d’armement (missiles, obus, balles), la simulation permet de tester rapidement et à moindre coût de multiples modifications géométriques et balistiques dans différentes conditions atmosphériques, là où les essais sont plus longs, complexes et onéreux.
• Guidage de missiles : Les simulations CFD optimisent les systèmes de guidage des missiles, prenant en compte les forces aérodynamiques et les conditions environnementales. Le couplage fluide-structure peut également permettre de déterminer l’impact des conditions environnements sur l’intégrité physique des projectiles et des systèmes de guidage.

Amélioration des performances des systèmes de propulsion

• Optimisation des moteurs à réaction : L’amélioration et l’optimisation de l’efficacité des moteurs à réaction est l’une des applications de la CFD, que ce soit par la simulation de l’écoulement d’air à l’intérieur des moteurs, ou encore du refroidissement et de la lubrification des composants.
• Moteurs à combustion et fusées : La simulation des processus de combustion dans les moteurs de fusée ou à turbine aide à améliorer la performance des systèmes de propulsion et à réduire les émissions polluantes. Il est également possible d’optimiser la géométrie des tuyères des moteurs de fusée afin d’en améliorer les performances des moteurs en termes de poussée et de contrôle, tout en réduisant les contraintes thermiques.
• Systèmes de propulsion pour sous-marins : optimisation de la conception des systèmes de propulsion sous-marins pour minimiser la résistance à l’eau et les signatures acoustiques.
• Réduction des essais physiques : réalisation de tests virtuels en phase de conception, réduisant ainsi le besoin de coûteux essais en soufflerie ou en conditions réelles (vol, navigation…). Cela accélère le cycle de développement des nouveaux avions et véhicules militaires et spatiaux, tout en réduisant les coûts.

Gestion thermique et refroidissement des équipements militaires

• Gestion thermique des systèmes électroniques : en terrain de combat ou dans l’espace, des vies humaines dépendent bien souvent de l’intégrité et du bon fonctionnement de systèmes électroniques. Leur défaillance et leur surchauffe peuvent avoir des conséquences dramatiques. La simulation permettra ici d’optimiser le refroidissement (ou le chauffage!) des systèmes électroniques sensibles utilisés dans les véhicules militaires pour éviter tout risque de dégradation tout en limitant leur consommation.
• Refroidissement des armes à haute énergie : Les armes telles que les lasers et les canons électromagnétiques nécessitent des systèmes de refroidissement optimisés pour maintenir leur performance. Lorsqu’une optimisation fine et poussée est recherchée, la simulation apparaît bien souvent comme la meilleure solution.

Analyse des écoulements dans les systèmes internes

• Systèmes de ventilation et de pressurisation : La simulation CFD permet de modéliser l’écoulement de l’air dans les cabines pressurisées des avions et des vaisseaux spatiaux, afin d’optimiser le confort des passagers et de garantir une répartition homogène de l’air, voire d’éviter des risques d’anoxie et d’asphyxie.
• Gestion des fluides dans l’espace : L’un des intérêts des modèles est la possibilité de fixer librement l’accélération de la pesanteur, ce qui est, en pratique, beaucoup plus complexe pour les essais physiques. Que l’on conçoive un système destiné à fonctionner sur Terre, dans l’espace ou sur Jupiter, la simulation CFD aidera à modéliser les comportements des fluides (carburant, liquide de refroidissement) dans ces conditions spécifiques, permettant de concevoir des réservoirs et des systèmes de transfert plus efficaces.

Analyse des conditions environnementales en zones critiques

• Impact des conditions météorologiques : Par la simulation CFD, il est possible d’évaluer l’impact du vent, de la pluie voire même des tempêtes de sable sur les équipements et véhicules, militaires et spatiaux aidant à anticiper les défis climatiques.
• Simulation des écoulements dans les zones urbaines : Il est possible d’aider à la planification des opérations en modélisant les flux d’air, la propagation du son ou encore la dispersion des particules dans les environnements urbains complexes.

• Dispersion des gaz toxiques : simulation de la propagation des gaz et substances chimiques dans le cadre d’attaques NBC (nucléaire, biologique, chimique), aidant à élaborer des plans de confinement, de réponse et des analyses d’impact.