Industrial Applications at hepia - cmefe: From Formula 1 ... · from local industry. Patrick Haas GCC Open Lab, 05.12.17 CMEFE ... du maillage est clairement visible. Wind 2 (m/s)

www.cmefe.ch

Industrial Applications at hepia - cmefe: From Formula 1 to Watch Design

Patrick Haas, Prof. Ordinaire

GCC Open LabDecember 5, 2017

www.cmefe.chPatrick Haas GCC Open Lab, 05.12.17

SWISS UNIVERSITIES OF APPLIED SCIENCES AND ARTS

• 7 Universities• + 2 private• 80’000 Students

hepia(Geneva)


100 YEARS OF FLUID MECHANICS AT HEPIA

1995 : Design and production of the big wind tunnel at Pont-Butin.

1980 : Pulsated Over Heated Water Rocket POHWARO

1900 : First activities in thermics and aerotechnics. « Marc Birkigt years ».

1970 : design and building of wind tunnels of bigger sizes.

1987 : Acquisition of the Hispano test facilities in Pont-Butin (Geneva).

1940 : Activities in sailing and civil engineering.

1984 : development of an implicit code for transonic flow simulation. Begining of CFD use at hepia-cmefe !

2003 : Investments in the calculation power of the group.

2005 : A great part of the financial ressources comes from local industry.


CMEFE THE HEPIA FLUID DYNAMICS GROUP

- EXPERIMENTAL RESSOURCES -


HEPIA-CMEFE WIND TUNNEL

• Test section: 2.0 m x 1.5 m• Speed max : app. 280 km/h• 6 components balance








Measurement robot 3 axes



HEPIA-CMEFE - COMPUTATIONAL RESSOURCES -

Baobab: Intel Sandy Bridge, 2'500 cores, 10 Tb RAM, infinibandGordias: ClusterVision, 224 cores, 448 Gb RAM, infinibandEoleC1-5: Oracle SUN, 44 cores, 132 Gb RAMEoleC6: Dell, 96 cores, 256 Gb RAMStorage units (NAS): 2 x 70 Tb = 140 TbSofware for simulation (CFD) : ANSYS CFD (Associate licences), OpenFOAM


ELECTRO-MACHINING (EDM) PROCESS HYDRODYNAMICS

Map mesh (hexahedron) Tgrid patch conform mesh (tetrahedron)

Tgrid patch conform mesh for tank and nozzle (tetrahedron), Cooper hexaedron for the slot and gap.

• Particles trajectories calculation• Injection nozzle design for a faster

production in wire EDM and die sinkingEDM


MECHANICAL WATCHES DESIGN

• Moving parts aerodynamics (shears, pressures)

• How the energy is loss in a watch ?• How to increase eficiency, reserve ?

• Polyhedron elements• Wheels in rotation and interfaces• 4 Hz oscillating movement


WATER FOUNTAIN GENEVA

Air Water

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Vue depuis le toit d'hepia, le 6 mai 2014 (pendant la période d'essais de la nouvelle buse)

Simulation CFD de

l'écoulement dans la buse et du jet

Patrick Haas, Prof. HES

hepia Groupe de compétences en mécanique

des fluides et procédés énergétiques (cmefe) 7, Route du Pont-Butin CH 1213 Petit-Lancy

www.cmefe.ch

• 2 pumps 16 bars• 2 x 500 kW = 1 MW

nominal power suply(720 kW effective)

• 500 lts/sec water


WATER FOUNTAIN GENEVA

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M!

Fig. 1.3 : A gauche, vue sur la buse (Support tuyère, tuyère, manchon d'aération et disque de répartition). A droite, l'ensemble du domaine (60 m x 60 m x 150 m).

Fig. 1.4 : Plan de coupe à y=0. La construction patch independent du maillage est clairement visible.

Wind 2 (m/s) New nozzle

Existingnozzle

CFD analysis 118 m 134 m

Measurements 115 m 135 m

Wind 0 (m/s) New nozzle

Existingnozzle

CFD analysis 126 m 136 m

Measurements 120 m 140 m

• Model SIMPLE, ANSYS 13• Catia CAD• ICEM Mesh patch independent• 22 Millions cells• Domain : 60 m x 60 m x 150 m• RANS k-e RNG, VOF• Standard wall functions• 14 days calculation on 48 cores

for 10 sec real time

Objective : Reductionof power (flow volume) with same heigth.


PLASTIC WELDING USING HOT AIR JETS

• Welding of plastic tubes using hot air• CFD simulation of the supersonic flow inside a nozzle• Validation on site with the production machine

AISA – Automation Industrielle SA


PRODUCTION OF COFFEE CAPS

• CO diffusion in the production plant: CFD simulation of the flow in the plant with the complete ventilating system and the coffee milling / fillingmachines

• Design of the protective (from O2) chamber of the filling / caping machines. Project done with the machine suplier.

Nestlé – Nespresso et Dolce Gusto


PNEUMATIC VALVE NOISE REDUCTION IN MEDICAL APPLICATIONS

• Simulation CFD of the flow inside a valve of small dimensions• Experimental validation of the CFD model using vizualisation technics

Fluid Automation Systems SA Roberto Putzu, Prof.


AERODYNAMIQUE DE LA MOTO2 SUISSE, QUEL DEFI POUR HEPIA ?



LES SPORTS MECANIQUES A HEPIA§ Egli Motorradtechnik (1985), travail de Bachelor§ Motos ROC Annemasse (1992), travail de Bachelor § ASM Formula 3 (2006)§ Eco-marathon Shell : Consomini (2003-05), Biomobile.ch (2005 - actuel)§ Motostudent PoliTo Turin (2011-12)§ Moto2 NCS Rapid Inside Modena (2011)

PoliTo CIV Misano 2016Motostudent PoliTo


LES SPORTS MECANIQUES A HEPIA (SUITE)§ Audit des teams de Formule 1 (2010 – 2013)§ MotoGP Akira Kawasaki (2014 - 2015)§ Moto2 Tech3 (2014)§ Vyrus 986 M2 Wings (2016)§ Moto2 KTM (2016 – actuel)§ Moto2 Garage Plus et Technomag CarXpert : Suter et Kalex (2014 - actuel)§ Moto2 Geotechnology NTS project (2016 – actuel)

Moto2 Tech 3 Mistral


AUDIT DES TEAMS DE FORMULE 1- P. Haas et R. Putzu (hepia) en charge d’auditer les teams (2010 – 2013)« Aerodynamic testing and CFD simulation Regulation »

- Visites régulières des souffleries et des centres de calculsFormula One Teams

Association

Modèle à l’échelle 60% Marussia

Soufflerie Toyota à Cologne


Quelques souffleries des teams de Formule 1

SOUFFLERIES DE FORMULE 1


§ Règlement adopté pour réduire les coûts !§ Echelle des modèles de soufflerie 60% max. § Vitesse max. de l’air 50 m/s § Tapis roulant et suction de la couche limite§ Essais pour tous les angles (tangage, lacet)§ Plus de 500 essais complets par mois en plus des simulations

CFDUn essais toutes les 30 minutes !

« Aerodynamic Testing Restrictions (FOTA) »

Modèle à l’échelle 60% Marussia

SOUFFLERIES DE FORMULE 1


FORMULA 1 METHODE DE CFD

Sauber


§ Nombre de calculs limités par période de 2 mois

§ Jusqu’à 18 h CPU par simulation sur des clusters de calcul de plusieurs centaines de cœurs (1’000 à 6’000 cœurs)

§ Jusqu’à 1’500 simulations par mois

Jusqu’à 50 simulations de la voiture complète par jour !

« Aerodynamic CFD Restrictions (FOTA 2013) »

FORMULA 1 METHODE DE CFD

Sauber


CAPACITES DE CALCUL CFD DES TEAMS DE FORMULA 1

§ Codes commerciaux (Fluent, Star CCM+)§ Méthode des éléments finis§ Serveurs de calcul hautement parallélisés de

processeurs 64 bits (jusqu’à 6’000 cœurs)§ Jusqu’à 18’000 Gb RAM§ Infiniband DDR 48 Gbit/s interconnections ou mieux§ Env.100 kW électrique d’alimentation§ Tour de refroidissement d’env. 150 kW (condenseur)

Albert HPC server, Sauber


QUE PEUVENT NOUS ENSEIGNER LES TEAMSDE FORMULE 1 ?

Mercedes AMG F1 WA06

Ferrari SF15T, 2015

§ La CFD montre toutes les variables partout sans perturber l’écoulement et pour n’importe quelle échelle de temps d’un phénomène !

Compréhension détaillée de l’écoulement Idées nouvelles !

§ Optimisation de géométries complexes – Etudes paramétriques


LE PROGRAMME AERODYNAMIQUE MOTO2 DE HEPIA

1. Tests en soufflerie à pleine échelle§ Essais avec les pilotes, définition de la selle§ Validation des simulations (CFD)§ Continuité avec l’expérience acquise

(comparaison avec des résultats connus)

2. Tests en soufflerie sur modèle à 50%§ Disponibilité du modèle tout au long de l’année§ Taille de la soufflerie (rapports de section

modèle / section d’essais)§ Coûs

3. Simulations (CFD) § Compréhension de l’écoulement§ Nouvelles idées, définition des essais§ Refroidissement du moteur, thermique


4. Mesures aérodynamiques sur piste§ Pleine échelle§ Moto complète en champ libre§ Mesure du couple en sortie de boîte à

pleine vitesse§ Travail réalisé avec une MotoGP pour

comprendre les effets du rapport de blocage en soufflerie

5. Analyse des mesures en course§ Etude des valeurs obtenues en course par

la centrale électronique de gestion de la moto

• Reconnaître chaque méthode pour ses forces et faiblesses.• Mettre en place une méthodologie de travail efficace ayant

pour seul objectif d’obtenir un gain sur la piste !

Italy Grand Prix 2015

LE PROGRAMME AERODYNAMIQUE MOTO2 DE HEPIA


PROGRAMME AERODYNAMIQUE HEPIA MOTO2 RESULTATS

Résistance aérodynamique :

F = ½ r SCx V

SCxMoto2 Kalex Aegerter 2015 (avec travail à hepia)

Simulations CFD : 0.230Soufflerie pleine échelle (corrigée) : 0.252

Moto2 Kalex Aegerter 2015 (originale) : 0.279

Moto2 Kalex Aegerter 2016 (avec travail hepia) : < 0.245Moto2 Kalex Aegerter 2016 (originale) : 0.269

Moto2 Suter Aegerter 2014 (avec travail à hepia) : 0.262

Moto2 NCIS 2011originale : 0.320

x2


SUR LA PISTE...

§ La moto suisse est régulièrement la moto la plus rapide du paddock en vitesse de pointe


SUR LA PISTE... Illustration de la vitesse de pointe : Mugello 2015

Tito Rabat (1) n’est pas capable de passer Dominique Aegerter (77) malgré l’aspiration.


SUR LA PISTE... 2016 : Morbidelli cherche l’aspiration dans la longue ligne droite du Qatar.


SUR LA PISTE...

2016 : Victoire de Thomas Lüthi en Australie !


ESSAIS A PLEINE ECHELLE


ESSAIS A ECHELLE 1:2

Développement du modèle

Scan 3D et production en impression 3D pilote et carénages


Production de la maquette et instrumentation

Squelette


Roues usinées en aluminium

Carénages








SIMULATIONS CFD

CAO

§ Catia V5§ ANSYS SCDM (Space Claim Design

Modeler)

Mailleur

§ ANSYS ICEM§ Workstation 16 coeurs, 126 Gb RAM§ 30 millions cells


SIMULATIONS (CFD)

Objectifs

§ Aérodynamique externe et interne§ Optimisation de la trainée§ Refroidissement du moteur, thermique

§ Radiateur comme un milieu poreux anisotropique

§ Roues en rotation


SIMULATIONS (CFD)


TRAVAUX HEPIA SUR LES AILESAILES DE QUEUE – DOMINIQUE AERGERTER 2016


TRAVAUX HEPIA SUR LES AILESVYRUS 986 M2


TRAVAUX HEPIA SUR LES AILESVYRUS 986 M2


MEDIAS ET CONTACTS


MEDIAS ET CONTACTS

En 2017 avec des étudiants du CFPT


QUESTIONS ?


Christophe Balistreri, Ing.

Christophe Cerutti, Technicien

hepia mécanique

Documents

Industrial Applications at hepia - cmefe: From Formula 1 ... · from local industry. Patrick Haas GCC Open Lab, 05.12.17 CMEFE ... du maillage est clairement visible. Wind 2 (m/s)