Modélisation d'écoulements turbulents libres bidimensionnels avec effets de flottabilité PDF Download
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ETUDE NUMERIQUE A L'AIDE D'UN MODELE DE TURBULENCE AVEC FERMETURE DU SYSTEME D'EQUATIONS AU SECOND ORDRE, D'UNE COUCHE DE MELANGE AVEC DISTRIBUTION ASYMETRIQUE DE TEMPERATURE, D'UNE COUCHE DE MELANGE DE DEUX ECOULEMENTS DE GRILLE, D'UN JET PLAN SYMETRIQUE. COMPARAISON AVEC DES DONNEES EXPERIMENTALES ET MISE AU POINT D'UN CODE DE CALCUL S'APPUYANT SUR UN MODELE DU TYPE K-EPSILON . APPLICATION A LA PREVISION NUMERIQUE D'UN REJET VERTICAL AVEC ET SANS FLOTTABILITE DANS UN MILIEU AU REPOS, UNIFORME OU STRATIFIE EN DENSITE. ETUDE DU CAS D'UN PANACHE VERTICAL, EMIS DANS UN MILIEU A DEUX COUCHES
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ETUDE NUMERIQUE A L'AIDE D'UN MODELE DE TURBULENCE AVEC FERMETURE DU SYSTEME D'EQUATIONS AU SECOND ORDRE, D'UNE COUCHE DE MELANGE AVEC DISTRIBUTION ASYMETRIQUE DE TEMPERATURE, D'UNE COUCHE DE MELANGE DE DEUX ECOULEMENTS DE GRILLE, D'UN JET PLAN SYMETRIQUE. COMPARAISON AVEC DES DONNEES EXPERIMENTALES ET MISE AU POINT D'UN CODE DE CALCUL S'APPUYANT SUR UN MODELE DU TYPE K-EPSILON . APPLICATION A LA PREVISION NUMERIQUE D'UN REJET VERTICAL AVEC ET SANS FLOTTABILITE DANS UN MILIEU AU REPOS, UNIFORME OU STRATIFIE EN DENSITE. ETUDE DU CAS D'UN PANACHE VERTICAL, EMIS DANS UN MILIEU A DEUX COUCHES
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CE TRAVAIL S'ARTICULE AUTOUR DE DEUX POINTS DE VUE SUR LA SPECIFICITE DES ECOULEMENTS TURBULENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE: L'ANALYSE PHYSIQUE DES MECANISMES PROPRES A CETTE SITUATION ET LE PROBLEME DE LA MODELISATION DE TELS ECOULEMENTS. ON FAIT D'ABORD LE POINT SUR LES OUTILS DE LA DESCRIPTION STATISTIQUE DE L'ETAT ET DU MOUVEMENT TURBULENT DE FLUIDE A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. ON PROPOSE UNE SYNTHESE CRITIQUE DES OPTIONS DE FORMULATION DES EQUATIONS OUVERTES AUX MOMENTS STATISTIQUES JUSQU'A L'ORDRE DEUX. LE POTENTIEL D'UNE ANALYSE PHYSIQUE DES EFFETS DE DENSITE, BASEE SUR UNE DESCRIPTION SIMPLIFIEE DES CHAMPS MOYENS CENTRES, EST ENSUITE EXPLORE. L'EXISTENCE ET LA NATURE DE REGIONS DE SIMILITUDE FONT L'OBJET D'UNE DISCUSSION LIMITEE AUX CONFIGURATIONS DE COUCHE DE MELANGE ET DE JET. A PROPOS DE LA MODELISATION DE LA TURBULENCE, L'ACCENT EST PORTE SUR LA TRANSPOSITION, AUX ECOULEMENTS A DENSITE VARIABLE, DES FERMETURES EN UN POINT DEVELOPPEES POUR L'ECOULEMENT A MASSE VOLUMIQUE CONSTANTE. LE LIEN ENTRE LES FORMULATIONS INITIALES ET LEUR POTENTIEL DE MODELISATION EST ECLAIRCI. LA DERNIERE PARTIE MET EN UVRE CES PROPOSITIONS DANS UNE SIMULATION NUMERIQUE DE TYPE PARABOLIQUE DE JETS AXISYMETRIQUES A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. CET OUTIL PERMET DE REVENIR SUR L'ANALYSE PHYSIQUE DE L'ECOULEMENT APRES VALIDATION DE LA PROCEDURE
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Ce travail contribue au développement d'une méthode de calcul des écoulements turbulents compressibles à faible nombre de Mach avec la prise en compte d'effets de proche paroi. La région de proche paroi est le lieu où les taux de production et les maxima d'intensité de la turbulence sont les plus élevés. La distinction des différents mécanismes de production de la turbulence nécessite alors un surcroît de moyen pour l'analyse. Ceci est particulièrement vrai pour les études numériques, où le fort gradient de la dissipation de l'énergie cinétique turbulente requiert une haute résolution, typiquement de l'ordre de 60 à 100 nœuds à travers la couche limite. La résolution numérique de la sous-couche visqueuse est testée longtemps inaccessible à cause de la limitation des ressources informatiques, au moins pour les écoulements complexes. Afin d'obtenir un compromis raisonnable entre le temps de calcul, et la qualité des résultats nous développons une approche bicouche qui introduit des effets bas Reynolds dans les modèles de turbulence k - ε et ui''uj" - ε. Nous avons de plus analysé l'impact de la viscosité numérique sur la qualité des résultats pour des écoulements à faible nombre de Mach. Nos simulations confirment le comportement pathologique du solveur hyperbolique, résultant de l'approximation erronée du schéma de Roe. Une correction du schéma utilisant le préconditionnement de Turkel permet de supprimer l'excès de viscosité numérique et améliore la précision de la solution. Des résultats de simulations d'écoulements bidimensionnels non réactifs sont présentes. L'étude d'écoulements cisaillés avec ou sans recirculations dans des configurations académique et industrielle donnent lieu à une évaluation précise des modèles développés.
Author: Jonathan Wertel Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 171
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L’objectif de ce travail est l’interpolation du débit à partir de données issues de vélocimètre à effet Doppler. Pour ce faire une modélisation précise des écoulements turbulents doit être implémentée dans un code conçu pour les conduites d’assainissement. Du fait de l’uniformité de l’écoulement dans le sens du flux, un maillage 2D est utilisé pour effectuer le calcul du champ de vitesse en 3D. Un modèle RSM des écoulements turbulents uniformes à surface libre a donc été développé en version bas-Reynolds afin de pouvoir intégrer les équations en zone proche paroi incluant la sous-couche visqueuse. Une combinaison de (Shir, 1973), (Gibson & Launder, 1978) et (Cokljat, 1993) a été additionnée au terme de corrélation fluctuation de pression/champ moyen de vitesse afin de prendre en compte l’effet d’amortissement de la surface libre et le caractère redistributif d’énergie cinétique turbulente des parois. Ce modèle a été implémenté (sous Matlab) dans un code aux volumes finis, tout comme un modèle k-ε à titre de comparaison. On montre ainsi le rôle prépondérant du caractère anisotrope de la turbulence dans la génération des courants secondaires. Les résultats présentés sont comparés avec ceux de (Kang & Choi, 2005) qui ont développé un modèle RSM utilisant des lois de paroi et avec les résultats expérimentaux de (Nezu & Rodi, 1985). Il y a une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Les effets sur les tensions de Reynolds de l’annulation de la contrainte tangentielle aux coins sont reproduits. Par ailleurs, la projection du champ moyen de vitesse sur une section transverse met en évidence des courants secondaires, notamment des petites structures au niveau des angles formés par la surface libre avec les parois. Enfin, des cas expérimentaux issus de la littérature sont modélisés afin de comparer les débits mesurés avec ceux calculés par le modèle présenté, là encore il y a une bonne corrélation. Pour finir, un banc d’essai a été conçu pour la mesure de vitesse en canal. Un banc de déplacement automatisé a été assemblé autour d’un canal de 20m de long, il est équipé des systèmes de mesure par ADV et PIV.
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UNE VERSION TRIDIMENSIONNELLE DU MODELE K-EPSILON DE LA TURBULENCE AVEC EFFETS DE FLOTTABILITE EST PRESENTEE POUR LE CALCUL DES JETS ET PANACHES. LE MODELE EST APPLIQUE AUX CALCULS DES JETS ET PANACHES DANS LA REGION DE SIMILITUDE, ET AUSSI DES JETS PORTANTS DANS UN MILIEU UNIFORME OU STRATIFIE, AU REPOS OU AVEC COURANT TRAVERSIER CONSTITUE PAR LE VENT. UNE APPLICATION AUX PANACHES D'AEROREFRIGERANTS EST EGALEMENT PRESENTEE. LES RESULTATS OBTENUS SONT COMPARES AUX DIVERS RESULTATS EXPERIMENTAUX ET D'UNE MANIERE GENERALE EN BON ACCORD
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Le calcul d'un écoulement turbulent en présence d'un décollement nécessite la résolution numérique des équations de Navier-Stokes et la modélisation de la turbulence. Un code de calcul, développé pour des écoulements internes laminaires et basé sur une méthode de marche itérative pour les équations parabolisées, a été modifié pour simuler des écoulements turbulents. Pour cela, les équations de Navier-Stokes complètes ont été considérées. Pour la mise au point du code numérique, des calculs d'écoulements laminaires décollés (bidimensionnel, subsonique, faiblement compressible) ont été effectués. La longueur de décollement calculée en fonction du nombre de Reynolds dans le cas de la marche descendante est en très bon accord avec les mesures expérimentales. Différents modèles de turbulence ont été introduits moyennant quelques précautions pour conserver la stabilité du calcul. Un schéma à deux couches est adopté : un schéma de longueur de mélange dans les régions de paroi et différents systèmes d'équations de transport ailleurs. À partir des résultats obtenus, le modèle à deux équations de transport, une équation pour l'énergie cinétique de turbulence et une équation pour le frottement turbulent, semble être le plus apte à modéliser la turbulence dans le cas de la marche descendante. Une application à des cas d'écoulement turbulent ou un soufflage affecté le décollement derrière la marche, a mis en évidence la capacité du présent code de calcul à traiter des écoulements plus complexes.
Author: Boris Charrière Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d'instationnarités.Les travaux de la présente thèse s'inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI),qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d'écoulements cavitants. Les simulations s'appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l'aide d'un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l'approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente.Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l'introduction d'équations d'état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d'une équation d'état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l'introduction d'une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l'amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l'équilibre thermodynamique local et d'introduire un état métastable pour la phase vapeur.Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L'objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d'un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l'écoulement principal.Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D'autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d'ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l'influence de l'équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d'un modèle à seulement trois équations de conservation.
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Les milieux diphasiques mettent en jeu des interactions aux interfaces qui modifient d'une manière significative la structure des champs moyens et fluctuants des écoulements. La conception de modèles à deux fluides adaptés aux écoulements industriels nécessite la prise en compte de l'effet de ces interactions au niveau des relations de fermeture adoptées. Le travail développé dans cette thèse porte sur le développement de modèles à deux fluides au premier ordre déduits par réduction des fermetures au second ordre. La démarche adoptée, basée sur le principe de décomposition du tenseur des contraintes de Reynolds en contributions turbulente et pseudo-turbulente statistiquement indépendantes, permet de préserver le contenu physique des fermetures au second ordre. L'analyse de la structure de la turbulence dans deux configurations d'écoulements de référence : écoulements homogènes à bulles uniforme derrière une grille et à cisaillement constant permet de déduire une formulation de la viscosité turbulente en milieux diphasiques faisant intervenir les échelles caractéristiques de la turbulence à bulles, ainsi qu'une description analytique de la modification induite par la présence des bulles de la structure de la turbulence homogène. Le modèle eulérien à deux fluides a été généralisé ensuite au cas des écoulements inhomogènes à faibles taux de vide. Les résultats numériques obtenus par l'application de ce modèle intégré dans le code de calcul MELODIF dans le cas de l'écoulement turbulent à bulles cisaillé libre de sillage ont montré une concordance satisfaisante avec les données expérimentales et ont permis d'analyser la modification des échelles caractéristiques de cet écoulement par les interactions interfaciales. Le modèle à deux fluides au premier ordre est généralisé enfin au cas des écoulements à forts taux de vide où les interactions hydrodynamiques entre les bulles ne sont plus négligeables.
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La résolution directe des équations de Navier-Stokes reste impraticable pour les écoulements industriels, et conduit a la mise en œuvre d'approches statistiques qui se limitent au calcul des grandeurs moyennées. Parmi les modèles de turbulence qui utilisent cette approche, le modèle K-, le plus simple et le plus utilise. Il résout en plus des équations de transport de la vitesse et du scalaire moyens, une équation de transport pour l'énergie turbulente et une autre pour son taux de dissipation. L’autre modèle qui fait l'objet de notre étude est le modèle R#I#J-, qui résout en plus des équations de transport des quantités moyennes, des équations de transport pour les contraintes de Reynolds, les flux scalaires et le taux de dissipation de l'énergie turbulente. Une partie de cette thèse sera consacrée aux nouveaux modèles proposes pour le terme de pression-déformation qui apparait dans les équations des contraintes de Reynolds et a la nouvelle équation du taux de dissipation de l'énergie turbulente. Ce nouveau modèle R#I#J- a été teste avec succès par CRAFT à UMIST pour les jets non homogènes plans ou axisymétriques, les surfaces libres et les jets impactant. L’application de ces trois modèles de turbulence sera réalisée pour deux catégories d'écoulements: 1) les écoulements a masse volumique variable sans composante de rotation: écoulement bicouche et jet confiné. 2) les écoulements incompressibles ou a densité variable avec une forte composante de rotation. Après analyse des résultats, on tire les conclusions suivantes: I) pour la première catégorie d'écoulements, les prédictions des trois modèles de turbulence restent très proches. II) pour les écoulements a forte composante de rotation, la différence entre les trois modèles est importante, surtout pour la configuration étudiée au LSTM ou en plus de la zone de recirculation centrale, on a une zone de recirculation périphérique liée a un élargissement brusque. Pour ce genre d'écoulements, le nouveau modèle R#I#J- est de loin le meilleur des trois modèles. III) enfin, il est important de préciser que malgré la complexité du nouveau modèle R#I#J-, son utilisation permet d'économiser plus de 25% de temps de calcul par rapport au modèle R#I#J- standard
Author: Jean-François Sini
Author: Jean-François Sini
Author: Laurent Joly (ingénieur).)
Author: Olivier Guerriau
Author: Philippe Chang
Author: Jonathan Wertel
Author: Beresford Moses
Author: Widah Haj-Ibrahim
Author: Boris Charrière
Author: Ghazi Bellakhal
Author: Moulay Bel Hassan