Analyse physique et modélisation d'écoulements turbulents instationnaires compressibles autour de surfaces portantes par approches statistiques haute-fidélité et de dimension réduite dans le contexte de l'interaction fluide-structure PDF Download
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Book Description
Dans le contexte de la prédiction d'écoulements aérodynamiques, l'élaboration d'une stratégie de modélisation hiérarchique permet d'envisager conjointement la simulation précise des phénomènes physiques par une approche "Haute-Fidélité" (HF) et l'intégration de modèles de faible complexité numérique au sein de procédures d'optimisation ou de contrôle. Une loi constitutive est proposée pour la modélisation HF des contraintes turbulentes dans le cadre de l'approche statistique Organised Eddy Simulation grâce à l'introduction d'une viscosité de turbulence tensorielle permettant de capturer les non-linéarités apparaissant entre tenseurs de déformation moyenne et d'anisotropie des contraintes turbulentes dans les régions hors-équilibre. Parallèlement, une approche de modélisation d'ordre réduit fondée sur la projection de Galerkin des équations de Navier-Stokes compressibles, sur une base extraite par Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD), est développée.
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Dans le contexte de la prédiction d'écoulements aérodynamiques, l'élaboration d'une stratégie de modélisation hiérarchique permet d'envisager conjointement la simulation précise des phénomènes physiques par une approche "Haute-Fidélité" (HF) et l'intégration de modèles de faible complexité numérique au sein de procédures d'optimisation ou de contrôle. Une loi constitutive est proposée pour la modélisation HF des contraintes turbulentes dans le cadre de l'approche statistique Organised Eddy Simulation grâce à l'introduction d'une viscosité de turbulence tensorielle permettant de capturer les non-linéarités apparaissant entre tenseurs de déformation moyenne et d'anisotropie des contraintes turbulentes dans les régions hors-équilibre. Parallèlement, une approche de modélisation d'ordre réduit fondée sur la projection de Galerkin des équations de Navier-Stokes compressibles, sur une base extraite par Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD), est développée.
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Le premier objectif de la thèse est l'analyse par simulation numérique des équations de Navier-Stokes pour des écoulements autour d'un profil d'aile sans incidence, d'un fluide visqueux compressible en régime principalement subsonique et instationnaire. Pour Mach=0.2-0.4 et Re=104, nous avons analysé, par le modèle de stabilité de Landau, avec comme paramètre critique le nombre de Mach, l'évolution de ces écoulement vers une instabilité de von Kármán.. Cette instabilité est purement la résultante d'effets de compressibilité. Cette etude a permis de déterminer le nombre de Mach critique d'apparition de cette instabilité. Le second volet de ce travail consiste en l'élaboration d'un code numérique permettant l'évolution du domaine fluide dans le temps par des mouvements de paroi. Les tests effectués (tangage de profils d'aile) montrent de très bonnes adéquations dans les comparaisons de résultats. Ce travail constitue une première approche de l'étude de l'interaction fluide-structure.
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Les écoulements instationnaires laminaires et turbulents autour de surfaces portantes sont étudiés pour un fluide incompressible. Après une étude détaillée de l'instabilité de von Karman générée par l'écoulement à 20ʿ autour d'un profil NACA12, la mise en place de l'instabilité secondaire et les étapes successives vers la transition 3D sont examinées. Cette étude se focalise sur l'identification des mécanismes de transition 3D ainsi que sur la structure de la mise en place de la turbulence. L'étude des résultats de la DNS par décomposition en moyenne de phase permet l'identification des mécanismes physiques relatifs à la naissance de la turbulence et leurs interactions avec les structures cohérentes 3D dans la région de proche paroi. L'accès au tenseur de Reynolds ainsi qu'aux différents gradients de vitesses permet de tester différentes lois constitutives des modèles de turbulence et de les améliorer pour des écoulements instationnaires fortement décollés. Puis les écoulements turbulents instationnaires à grand nombre de Reynolds autour de surfaces portantes à forte incidence sont étudiés. La méthode de macrosimulation " Organised Eddy Simulation ", basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes en moyenne de phase est utilisée. La modélisation de la turbulence aléatoire est effectuée en adaptant et en améliorant les modèles à deux équations pour bien prédire l'instationnarité du décollement et des structures cohérentes en aval du profil d'aile. L'amélioration des échelles du coefficient de diffusivité dans le contexte de la modélisation au premier ordre a été faite grâce à la modélisation au second ordre. Une bonne prédiction du développement des structures organisées a été obtenue, ainsi que de l'amplification des instabilités et des fréquences des oscillations apparaissant sous l'effet de la viscosité, phénomènes importants tant sur le plan fondamental que dans le domaine des applications en Aérodynamique Instationnaire (interaction fluide-structure).
Author: Larissa Smaguina Laval Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 372
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L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR DU PROFIL D'AILE A FORTE INCIDENCE EST ETUDIE PAR L'ANALYSE PHYSIQUE, SIMULATION NUMERIQUE, AINSI QUE PAR LA COMPARAISON AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES. L'APPROCHE DE MACROSIMULATION DE STRUCTURES ORGANISEES (OES, ORGANIZED EDDY SIMULATION ) EST ADOPTEE EN COUPLAGE AVEC LE MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS, DANS LE PRESENT TRAVAIL. UNE ETUDE DU CHOIX DU TRAITEMENT PARIETAL APPROPRIE EST EFFECTUEE AU SEIN DU MODELE DE TURBULENCE. UNE ANALYSE DETAILLEE DE LA DEPENDANCE DE LA SOLUTION VIS-A-VIS DE PARAMETRES NUMERIQUES, ET NOTAMMENT DE MAILLAGES EST PRESENTEE. L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR DU PROFIL D'AILE IMMOBILE A DES INCIDENCES DE 12, 14 ET 20 EST ETUDIE. L'INSTATIONNARITE NATURELLE DE L'ECOULEMENT EST PRISE EN COMPTE PAR L'APPROCHE DE MODELISATION DES STRUCTURES ORGANISEES. LE MODELE A DEUX EQUATIONS INCLUANT LE TRAITEMENT PARIETAL A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS BASE SUR LA FONCTION D'AMORTISSEMENT CHOISIE EST IMPLEMENTE SUR LE MAILLAGE APPROPRIE. L'AUGMENTATION DISCRETE DE L'INCIDENCE PERMET L'OBSERVATION DE L'EVOLUTION DU DECOLLEMENT DE LA COUCHE LIMITE, AINSI QUE L'APPARITION DE L'ALLEE TOURBILLONNAIRE ALTERNEE DE VON KARMAN ET DES TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ. L'ETUDE DU PROFIL OSCILLANT AUTOUR DE L'INCIDENCE MOYENNE DE 12 PERMET D'ESTIMER L'IMPACT DE L'INSTATIONNARITE FORCEE SUR L'ECOULEMENT AUTOUR DU PROFIL, AINSI QUE SON INTERACTION AVEC L'INSTATIONNARITE NATURELLE. DEUX TYPES D'OSCILLATIONS SONT CONSIDERES : LE MOUVEMENT DE TYPE TANGAGE ET LE MOUVEMENT COMBINE DE TAMIS/TANGAGE. L'APPARITION DU TOURBILLON DE DECROCHAGE ET LE PHENOMENE DE RELAMINARISATION SONT OBSERVES. CE DERNIER SE MANIFESTE PAR L'APPARITION DE BOUCLES D'HYSTERESIS SUR LES COURBES DES PARAMETRES AERODYNAMIQUES. LE MODELE DU PREMIER ORDRE A DEUX EQUATIONS PERMET UNE PREDICTION CORRECTE DES PHENOMENES PROPRES AUX ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES AUTOUR DE PROFILS D'AILE ET UN RELATIVEMENT BON ACCORD AVEC L'EXPERIENCE.
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DANS CETTE ETUDE, UNE METHODE NUMERIQUE DE HAUTE PRECISION EST MISE AU POINT POUR LA SIMULATION D'ECOULEMENTS COMPRESSIBLES INSTATIONNAIRES TURBULENTS EN AERODYNAMIQUE. UN SCHEMA CENTRE A CINQ POINTS, PRECIS A L'ORDRE TROIS POUR LES EQUATIONS D'EULER, A ETE CONSTRUIT EN CORRIGEANT L'ERREUR DISPERSIVE DU SCHEMA CLASSIQUE D'ORDRE DEUX DE JAMESON. CE SCHEMA A ETE ENSUITE ETENDU AUX MAILLAGES CURVILIGNES BI- ET TRIDIMENSIONNELS PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS DE HAUTE PRECISION. LE FLUX NUMERIQUE EST CONSTRUIT A L'AIDE D'OPERATEURS DE DISCRETISATION PONDERES, QUI PERMETTENT DE TENIR COMPTE DES DEFORMATIONS DU MAILLAGE. LE SCHEMA OBTENU EST PRECIS A L'ORDRE TROIS SUR DES MAILLAGES MOYENNEMENT DEFORMES ET A L'ORDRE DEUX SUR DES MAILLAGES TRES DEFORMES. LA METHODE DEVELOPPEE A ETE ETENDUE AUX EQUATIONS DE NAVIER-STOKES EN TRAITANT LES TERMES VISQUEUX DE FACON SIMPLE. LE SCHEMA PROPOSE A ETE PROGRAMME DANS UN CODE INDUSTRIEL ET IL A ETE VALIDE PAR DES COMPARAISONS SYSTEMATIQUES AVEC LE SCHEMA DE JAMESON, PROGRAMME DANS LE MEME CODE : LE SCHEMA DE HAUTE PRECISION PERMET DE REDUIRE DE FACON SIGNIFICATIVE L'ERREUR NUMERIQUE AU BORD D'ATTAQUE DE PROFILS ET D'AILES. ENSUITE, LE NOUVEAU SCHEMA A ETE APPLIQUE A L'ETUDE D'ECOULEMENTS AUTOUR DE PROFILS OSCILLANTS, MODELISANT UNE SECTION DE PALE DE ROTOR D'HELICOPTERE EN VOL D'AVANCEMENT. UN PROBLEME DIFFICILE DE DECROCHAGE DU A L'INTERACTION CHOC/COUCHE LIMITE SUR UN PROFIL OSCILLANT EN REGIME TRANSSONIQUE VIENT DEMONTRER LA NECESSITE DE SCHEMAS DE HAUTE PRECISION POUR LA SIMULATION D'ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES COMPLEXES. IN FINE, LE NOUVEAU SCHEMA EST APPLIQUE A L'ETUDE DU DECROCHAGE DYNAMIQUE PROFOND D'UN PROFIL OSCILLANT A TRES GRANDE INCIDENCE. POUR CHAQUE APPLICATION, LES INFLUENCES DU MODELE DE TURBULENCE, DU MAILLAGE DE CALCUL ET DE L'ORDRE DE PRECISION DU SCHEMA SONT DISCUTEES.
Author: Rémi Bourguet
Author: Rémi Bourguet
Author: Sébastien Bourdet
Author: Yannick Hoarau
Author: Larissa Smaguina Laval
Author: Paola Cinnella