Développement d'une méthode hybride RANS-LES temporelle pour la simulation de sillages d'obstacles cylindriques PDF Download
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Book Description
Dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents, les approche hybrides RANS/LES ont reçu récemment beaucoup d'attention car ils combinent le coût de calcul raisonnable du RANS et la précision de la LES. Parmi elles, le TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) est une approche hybride RANS/LES temporelle qui surmonte les inconsistances du raccordement continu du RANS et de la LES grâce à un formalisme de filtrage temporel. Cependant, le modèle TPITM est relativement difficile à mettre en œuvre et, en particulier, nécessite l'utilisation d'une correction dynamique, contrairement à d'autres approches, notamment la DES (Detached Eddy Simulation). Cette thèse propose alors une approche hybride RANS/LES similaire à la DES, mais basée sur un filtrage temporel, déduite du modèle TPITM par équivalence, c'est-à-dire en imposant la même partition entre énergies résolue et modélisée. Ce modèle HTLES (Hybrid Temporal LES) combine les caractéristiques de la DES (facilité de mise en œuvre) et du TPITM (formalisme consistant, justification théorique des coefficients). Après calibration en turbulence homogène, l'approche est appliquée à des cas d'écoulements autour de cylindres carrés puis rectangulaires. La modélisation des tensions de sous-filtre est une adaptation au contexte hybride du modèle RANS k-wSST.
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Dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents, les approche hybrides RANS/LES ont reçu récemment beaucoup d'attention car ils combinent le coût de calcul raisonnable du RANS et la précision de la LES. Parmi elles, le TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) est une approche hybride RANS/LES temporelle qui surmonte les inconsistances du raccordement continu du RANS et de la LES grâce à un formalisme de filtrage temporel. Cependant, le modèle TPITM est relativement difficile à mettre en œuvre et, en particulier, nécessite l'utilisation d'une correction dynamique, contrairement à d'autres approches, notamment la DES (Detached Eddy Simulation). Cette thèse propose alors une approche hybride RANS/LES similaire à la DES, mais basée sur un filtrage temporel, déduite du modèle TPITM par équivalence, c'est-à-dire en imposant la même partition entre énergies résolue et modélisée. Ce modèle HTLES (Hybrid Temporal LES) combine les caractéristiques de la DES (facilité de mise en œuvre) et du TPITM (formalisme consistant, justification théorique des coefficients). Après calibration en turbulence homogène, l'approche est appliquée à des cas d'écoulements autour de cylindres carrés puis rectangulaires. La modélisation des tensions de sous-filtre est une adaptation au contexte hybride du modèle RANS k-wSST.
Author: Benoît de Laage de Meux Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 291
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La simulation numérique d'écoulements turbulents dans les systèmes de refroi- dissement de joints de pompes hydrauliques demande à considérer des domaines de calcul très étendus et des temps d'intégration très longs. La modélisation hybride RANS/LES zo- nale pourrait permettre de reproduire, dans un temps de calcul acceptable industriellement, l'ensemble des phénomènes thermiques et dynamiques en présence. L'approche consiste à faire interagir une simulation des grandes échelles (LES), représentant finement les phé- nomènes instationnaires de la turbulence dans certaines régions critiques de l'écoulement, avec l'approche statistique (RANS), moins coûteuse numériquement et dont la mise en oeuvre dans le reste du domaine permet de rendre compte des variations globales imposées à l'écoulement (injection d'eau froide dans de l'eau chaude, rotation de l'arbre et de la roue, etc...). Dans cette optique, une étude détaillée des modélisations adaptées aux écoulements en rotation est réalisée, suivant les deux approches RANS et LES. De nombreux modèles de turbulence sont comparés sur un cas test de canal en rotation. Le couplage zonal aux faces de bord par la méthode des structures turbulentes synthétiques (SEM) est étudié et une méthode innovante de couplage volumique par force de rappel (Forçage Linéaire Ani- sotrope) sur une zone de recouvrement RANS/LES est proposée. Ces deux méthodes sont étendues pour la première fois à la thermique. Les simulations hybrides RANS/LES zonales présentées, sur des cas test de canal fixe, en rotation ou en convection forcée, montrent la faisabilité de telles modélisations pour des applications industrielles.
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Cette thèse, qui s'inscrit dans le contexte du projet ANR DIB, vise à la simulation par méthode hybride (DDES) de l'écoulement turbulent autour d'une plaque épaisse (Re = 80000), à une confrontation détaillée du mouvement instationnaire prédit avec une base de données expérimentale, et à l'étude des mécanismes à l'origine des fluctuations de pression à la paroi. L'écoulement présente successivement un fort décollement associé à l^acher tourbillonnaire en forte interaction avec la paroi, un recollement moyen puis un lent rétablissement vers une couche limite développée. L'attention est portée sur la région en aval du recollement. Les caractéristiques moyennes et instationnaires de l'écoulement sont étudiées au moyen d'outils statistiques classiques, ainsi que d'analyses de type moyenne conditionnelle, POD, LSE et Extended POD, dans leur version multi-temps. Un bon accord calcul/expérience est obtenu, et l'évolution des structures de grande échelle en aval du recollement est bien reproduite par la simulation. L'analyse est ensuite prolongée, notamment en ce qui concerne la tridimensionnalité de l'écoulement, ainsi que l'étude des différentes contributions à la pression pariétale fluctuante (termes source linéaire et non linéaire). Les analyses de type LSE basées sur la pression mettent en évidence des structures de type rouleaux portant une faible énergie, alors qu'on obtient des structures de type "hairpin" quand celles-ci sont basées sur la vitesse. Un résultat important de l'étude des termes contribuant à la pression est la dominance du terme non-linéaire, qui explique la faible énergie portée par les structures estimées à partir de la pression par des outils linéaires.
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Cette étude porte sur les mécanismes physiques responsables de la dispersion et de la déposition de gouttes d’eau dans un écoulement turbulent. Les applications industrielles sont nombreuses, par exemple, l’interaction des gouttes d’eau avec l’aérodynamique externe et sous capot d’une automobile. L’étude s’articule autour d’une double approche numérique et expérimentale. La principale difficulté pour la modélisation réside dans l’interaction des gouttes avec la turbulence. En proche paroi, cette interaction conditionne fortement la déposition des gouttes. Les lois de paroi utilisées dans des configurations complexes induisent une erreur sur la simulation du flux de gouttes déposé. Un modèle est proposé en ce sens. Il est dérivé sous forme de conditions aux limites dans les deux codes retenus pour cette étude : Fluent (approche Euler/Lagrange) et Neptune_CFD ( approche Euler/Euler). Un nouveau modèle de compréhension est également développé. Ces modèles sont tout d’abord évalués dans une configuration de canal plan 2D. Une base de données expérimentale sur l’écoulement d’extension brusque axisymétrique est constituée. La dispersion des gouttes est mesurée avec des méthodes optiques PIV et PTV. Une nouvelle méthode pour la mesure de la déposition, basée sur la fluorescence d’un colorant sous lumière UV, a été développée. L’analyse physique des résultats expérimentaux et numériques permet de dégager les mécanismes responsables de la dispersion et de la déposition des gouttes dans un écoulement complexe typique de l’aérodynamique automobile. Elle permet également d’évaluer les modèles numériques développés et existants.
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Ce travail de thèse est consacré à l'étude des écoulements diphasiques dispersés turbulents gaz/gouttes et plus particulièrement à la modélisation du phénomène de dépôt de gouttes en canal horizontal, dont la compréhension et la prédiction sont essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Les gouttes sont supposées de taille plus petite que les échelles de longueur caractéristiques de l'écoulement de gaz turbulent, avec une masse volumique grande devant celle de la phase continue, les forces qui agissent sur les gouttes se limitent ainsi à la traînée, à la poussée d'Archimède et à la gravité. Le taux de présence de la phase dispersée est suffisamment important pour tenir compte de l'influence des gouttes sur la turbulence du gaz (couplage à deux sens), mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions entre les gouttes. En écoulement horizontal, le dépôt des gouttes en paroi est piloté par deux mécanismes principaux qui agissent en parallèle : la gravité et la diffusion turbulente/vol libre. Cette physique du dépôt est déclinée en deux volets, avec une première étude à l'échelle 3D locale et une seconde étude à l'échelle système 1D. Dans chacune de ces approches, un modèle pour la vitesse de dépôt de gouttes en paroi est développé, puis validé par comparaison à des données expérimentales. Le modèle de dépôt local, établi sous l'hypothèse d'un film liquide infiniment mince et absorbant, est implanté dans le code de simulation numérique NEPTUNE_CFD, puis validé par comparaison aux données expérimentales de Namie & Ueda, qui étudient le dépôt des gouttes en canal horizontal. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement, ainsi que des transferts d'énergies entre phases, est menée afin de mettre en évidence les phénomènes de couplage et leurs influences sur la turbulence de la phase continue. Le modèle unidimensionnel, développé dans le cadre d'un besoin industriel, est implanté dans le code CATHARE-3 et est confronté aux données de l'expérience REGARD du CEA Grenoble.
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En situation industrielle, le calcul des caractéristiques instationnaires et tridimensionnelles d'écoulements complexes, est souvent nécessaire. La simulation des grandes échelles requiert un coût de calcul prohibitif surtout près de parois. L'un des objectifs des méthodes hybrides est d'optimiser le coût de calcul, en simulant certaines zones d'un écoulement en mode RANS et d'autres en mode LES. Cette dernière s'articule en général autour du filtrage spatial, alors que dans la plupart des écoulements, l'opérateur RANS correspond à une moyenne temporelle. L'approche PITM (Partially Integrated Transport Model ), conçue en turbulence homogène, est une méthode hybride justifiée théoriquement. Sa transposition au contexte temporel (turbulence stationnaire) a déjà été explorée précédemment, montrant que, sous certaines hypothèses, les versions spatiale et temporelle sont formellement identiques. La méthode PITM présente toutefois une certaine difficulté à piloter le niveau de résolution. La présente thèse propose une approche dynamique pour corriger ce point. Dans un second temps, la version temporelle du PITM, le T-PITM, est comparée à a DES (Detached Eddy Simulation), une méthode hybride populaire, mais empirique. Il est montre que les deux méthodes produisent des résultats similaires, conférant une justification théorique par procuration, à la DES. Le modèle RANS sous-jacent est la pondération elliptique, permettant la prise en compte des effets induits par une paroi, sans utiliser de fonctions d'amortissement ni de lois de paroi.
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La simulation numérique en mécanique des fluides turbulents est basée sur trois approches différentes : la simulation directe (DNS), la simulation des grandes échelles (LES) et les méthodes statistiques RANS. Le travail réalisé lors de cette thèse vise à définir une méthodologie de couplage entre LES et RANS. Ces deux approches sont en effet complémentaires pour des applications industrielles. Les méthodes RANS calculent l'écoulement global, la LES sert de "zoom" autour d'une zone précise de la géométrie. Dans le but de réaliser le couplage, trois approches sont adoptées : une pour un couplage dans le sens RANS vers LES (MV), une dans le sens LES vers RANS et une pour le couplage tangent. Après une série de tests d'optimisation du choix des paramètres intervenant dans la MV, ces trois techniques ont été appliquées à un cas académique : l'écoulement entre deux plaques planes parallèles. Enfin la méthode a été testée sur un écoulement plus complexes : l'écoulement autour d'une marche montante-descendante.
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Représenter avec précision la diversité des phénomènes physiques présents dans un écoulement constitue l'une des principales difficultés auxquelles est confrontée aujourd'hui la simulation numérique. L'approche multizone consiste à découper le domaine de calcul en différentes zones. Le modèle mathématique le plus judicieux (équations d'Euler, de couche limite ou de Navier-Stokes) est associé à chaque zone en tenant compte de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu (transition, décollement, onde de choc, sillage). L'approche est développée puis validée sur des écoulements bidimensionnels subsonique et transsonique autour de profil d'aile. La simulation de l'écoulement autour d'un ellipsoïde en incidence permet d'illustrer l'extension de l'approche aux configurations tridimensionnelles. Des modèles de turbulence à deux équations de transport sont considérés afin de traiter avec une plus grande précision les écoulements décollés. Un nouveau modèle à deux équations de transport est développé en vue de pallier les déficiences des modèles classiques k-epsilon et k-omega.
Author: Thanh Tinh Tran
Author: Thanh Tinh Tran
Author: Benoît de Laage de Meux
Author: Thanh Tung Tran
Author: Sylvain Aguinaga
Author: Coraline Neiss
Author: Christophe Friess
Author: Emmanuel Sergent
Author: Valérie Saint-Martin