Modélisation des écoulements turbulents en rotation et en présence de transferts thermiques par approche hybride RANS/LES zonale PDF Download
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Author: Benoît de Laage de Meux Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 291
Book Description
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.
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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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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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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AFIN D'ETUDIER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX EN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE, ON ABORDE DANS CE TRAVAIL DEUX APPROCHES: MODELISATION ET SIMULATION. L'ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE CHOISI COMME CAS TEST POUR LEQUEL ON TROUVE UNE ABONDANTE BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES. DANS UNE PREMIERE PARTIE, ON COMPARE DIFFERENTS MODELES DE PAROI EN CONJONCTION AVEC LE MODELE DE TURBULENCE K-EPSILON STANDARD. ON ANALYSE LES PERFORMANCES DES MODELES DU TYPE LOIS DE PAROI: MODELES A UNE, DEUX ET TROIS COUCHES ; ET DES MODELES A BAS NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT: MODELE DE LAUNDER ET SHARMA ET MODELE DE LAM ET BREMHORST. ON MONTRE AINSI LES LIMITATIONS DES METHODES CLASSIQUES POUR DETERMINER LES TRANSFERTS THERMIQUES PARIETAUX. LE BUT DE LA DEUXIEME PARTIE EST PRECISEMENT DE CHERCHER A MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES PHYSIQUES QUI RELIENT LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE. POUR CELA ON UTILISE UNE APPROCHE NUMERIQUE INSTATIONNAIRE QUI PERMET DE SUIVRE L'EVOLUTION DES PHENOMENES THERMIQUES. IL S'AGIT DE LA SIMULATION DU TRANSPORT PASSIF DE LA TEMPERATURE DANS L'ECOULEMENT. ON S'INTERESSE EN PARTICULIER AU DECALAGE DE LA POSITION DU MAXIMUM DU COEFFICIENT LOCAL DE TRANSFERT THERMIQUE ET DU POINT DE RECOLLEMENT. DANS LES 2 PARTIES, LES RESULTATS NUMERIQUES SONT COMPARES A CEUX, EXPERIMENTAUX, TROUVES DANS LA LITTERATURE
Author: Vladimir Duffal Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Cette thèse est consacrée à la modélisation de la turbulence avec des approches hybrides RANS-LES. Ces approches permettent d'assurer le meilleur compromis entre, d'une part, la capacité de la LES à capturer les structures instationnaires dans les régions d'intérêt de l'écoulement, et, d'autre part, un coût de calcul abordable en activant le mode RANS lorsque la résolution LES n'est pas nécessaire ou trop coûteuse, notamment en paroi. L'objectif industriel pour EDF est d'utiliser ces méthodes pour estimer les efforts instationnaires qui s'exercent sur certains gros composants (GMPP) des réacteurs à eau pressurisée.En premier lieu, une nouvelle formulation du modèle hybride HTLES (Hybrid Temporal Large-Eddy Simulation) est développée, dans le but d'améliorer ses fondations théoriques, en utilisant le critère de H-Equivalence. L'intérêt de ce modèle réside dans l'utilisation du filtrage temporel pour contrôler la répartition d'énergie entre les échelles résolues et modélisées, permettant de garantir la consistance entre les opérateurs RANS et LES. L'approche hybride est appliquée à différents modèles de fermeture RANS, et la calibration est effectuée sur la décroissance d'une turbulence homogène isotrope. De plus, des développements analytiques similaires permettent de proposer, pour la première fois, un modèle hybride fondé sur une modification d'échelle dans une formulation RANS qui tend explicitement vers un modèle LES préexistant.Le contrôle de la transition RANS-LES dans les régions de proche paroi est une problématique majeure de cette thèse. Afin d'améliorer le comportement du modèle HTLES, une fonction de protection double (dépendante à la fois de paramètres physiques et de critères liés aux maillages) et une contrainte de consistance interne sont proposées pour imposer le mode RANS en paroi lorsque la résolution LES n'est pas appropriée. Le modèle amélioré est validé sur les écoulements en canal plan et sur les collinespériodiques, avec des résultats très satisfaisants et robustes vis-à-vis du raffinement du maillage. Il est de plus montré pour le cas test des collines périodiques que des fluctuations turbulentes résolues dans la zone LES pénètrent dans la région RANS de proche paroi sans être trop altérées. Cela permet de capturer correctement les basses fréquences des spectres d'énergie turbulente et de pression en paroi, ce qui s'avère décisif dans le but d'estimer les efforts instationnaires sur des composants. Finalement, la HTLES offre une méthode de résolution alternative au coût numérique réduit par rapport à un modèle LES résolu en paroi.Enfin, la thèse s'intéresse à une version zonale de la HTLES (imposant le mode RANS dans les régions où la résolution LES n'est pas nécessaire), en appliquant le ALF (Anisotropic Linear Forcing) au niveau des interfaces RANS-HTLES afin de promouvoir l'apparition de fluctuations turbulentes résolues. Cette première étude de faisabilité offre des résultats prometteurs.Résumé en.
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Cette étude porte sur les phénomènes de mélange turbulent et de transfert thermique dans des échangeurs/réacteurs multifonctionnels (ERM) à générateurs de vorticité. La géométrie des ERM conditionne leur efficacité énergétique en déterminant la structure de l’écoulement. Ainsi, la compréhension fine des mécanismes du mélange turbulent et des transferts convectifs constitue un enjeu fondamental pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des ERM. La démarche scientifique est décomposée en deux parties : Tout d’abord, nous étudions l’utilisation de la sonde chimique dans le but de caractériser le micromélange dans des écoulements turbulents continus homogènes. Nous proposons une procédure expérimentale adaptative permettant d’adapter les cinétiques chimiques aux conditions locales de turbulence. De plus, nous définissons un domaine de validité, dépendant des conditions hydrodynamiques au point de mesure, en s’appuyant sur la modélisation physique de l’interaction entre les différentes échelles du mélange. Ensuite, nous étudions le mélange et les transferts thermiques dans trois géométries d’écoulements turbulents en présence de vorticité générée par des perturbateurs insérés dans un tube droit circulaire. Cette étude repose sur des mesures par LDA (laser Doppler anemometry) et de la simulation numérique CFD. Différentes approches physiques sont utilisées : statistique de turbulence, intensité de la vorticité, production d’entropie et synergie des champs. La complémentarité de ces approches permet de proposer une méthodologie afin d’évaluer les performances d’un ERM en régime turbulent
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AFIN DE PREDIRE LES ECOULEMENTS TURBULENTS AVEC TRANSFERTS THERMIQUES, ON A ELABORE ET ETUDIE DES MODELES DU DEUXIEME ORDRE. POUR LA CONSTRUCTION DE CES MODELES, ON A UTILISE LES EQUATIONS DE TRANSPORT DES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE. UNE ANALYSE D'ORDRE DE GRANDEUR DE TOUS LES TERMES, DE CES EQUATIONS, EST FAITE EN UTILISANT L'HYPOTHESE DE GRANDS NOMBRES DE REYNOLDS ET PECLET. LE MODELE A DEUX EQUATIONS (-) EST EMPLOYE POUR L'HYDRODYNAMIQUE. POUR LA THERMIQUE, DEUX MODELES SONT DEVELOPPES: PRT+TETA2 ET MODELE COMPLET. LE PREMIER UTILISE LA DIFFUSIVITE THERMIQUE TURBULENTE CALCULEE A PARTIR D'UN NOMBRE DE PRANDTS TURBULENT ET UNE EQUATION POUR LA VARIANCE DE LA FLUCTUATION DE TEMPERATURE. LE DEUXIEME EST FORME DE TROIS EQUATIONS: FLUX DE CHALEUR TURBULENT, VARIANCE DE LA FLUCTUATION DE TEMPERATURE ET SON TAUX DE DISSIPATION. CES MODELES ONT ETE VALIDES SUR QUATRE EXPERIENCES, QUI FONT INTERVENIR PROGRESSIVEMENT TOUS LES TERMES DES EQUATIONS: ECOULEMENT D'AIR EN AVAL D'UNE GRILLE (TEMPERATURE MOYENNE CONSTANTE); ECOULEMENT D'AIR EN AVAL D'UNE GRILLE AVEC GRADIENT DE TEMPERATURE; JET AXISYMETRIQUE D'AIR FAIBLEMENT ET FORTEMENT CHAUFFE; MELANGE (FROID-CHAUD) DE DEUX JETS COAXIAUX DE SODIUM A GRAND NOMBRE DE PECLET. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QUE LE MODELE COMPLET FOURNIT DES MEILLEURS ACCORDS CALCULS-MESURES, ET PERMET DE TRAVAILLER D'UNE FACON PLUS GENERALE.
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LE REFROIDISSEMENT DES AUBES DE TURBINES PEUT S'EFFECTUER PAR CONVECTION INTERNE PAR L'INTERMEDIAIRE DE CIRCUITS DE GEOMETRIE PLUS OU MOINS COMPLEXE. LA ROTATION DE L'ENSEMBLE ENGENDRE UN ECOULEMENT SECONDAIRE QUI MODIFIE DE MANIERE SIGNIFICATIVE LA DISTRIBUTION DES TRANSFERTS THERMIQUES. LA PRESENCE DE PERTURBATEURS DONT LA FONCTION EST D'AMPLIFIER LA TURBULENCE ET PAR DELA LES ECHANGES, COMPLIQUE LES MECANISMES MOTEURS DE L'ECOULEMENT. CES DERNIERS DEPENDENT, DANS CE CAS, D'UNE MULTITUDE DE PARAMETRES GEOMETRIQUES ET DYNAMIQUES. UNE APPROCHE NUMERIQUE, FAISANT APPEL AU CODE DE CALCUL MATHILDA DEVELOPPE A L'ONERA, A PERMIS DE DEGAGER, A PARTIR DE GRANDEURS PREPONDERANTES COMME LA DIRECTION DE ROTATION, LA VITESSE ANGULAIRE ET LE DEBIT, DES CONDITIONS DE REFROIDISSEMENT OPTIMALES. PAR AILLEURS, DES CALCULS SUR DES CONFIGURATIONS DE TYPE INDUSTRIEL ONT ETE MENES. GLOBALEMENT, SI LA ROTATION EST SUFFISANTE, IL EST MONTRE QUE LES ECHANGES SONT AUGMENTES PAR INTENSIFICATION DU BRASSAGE CONVECTIF. MAIS LE BIEN FONDE DE LA DEMARCHE REPOSE SUR UNE VALIDATION SYSTEMATIQUE DU CODE. POUR CE FAIRE, DES CONFRONTATIONS AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS DE CONFIGURATIONS FIXES ONT ETE ENTREPRISES. ELLES ONT PERMIS D'ACQUERIR, AVANT D'ABORDER LA ROTATION, UNE BASE SOLIDE POUR LA COMPREHENSION DES PHENOMENES MIS EN JEU. LA QUALITE DE LA SIMULATION DEPEND INTIMEMENT DES MODELES DE TURBULENCE ET DES LOIS DE PAROI UTILISES. DANS CE GENRE DE CONFIGURATIONS, LES MODELES CLASSIQUES DE TYPE K- SOUFFRENT DES LIMITATIONS IMPOSEES PAR DES HYPOTHESES TROP RESTRICTIVES. SUR CE CONSTAT, UN MODELE PLUS ELABORE DE TYPE ASM, INTEGRANT LES EFFETS DE LA ROTATION, A ETE IMPLANTE DANS LE CODE. IL A FAIT L'OBJET DE VALIDATIONS ELEMENTAIRES SUR UN ENSEMBLE DE GEOMETRIES SIMPLES ET VARIEES
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Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la simulation numérique des écoulements turbulents à grand nombre de Reynolds, avec intégration des équations jusqu'à la paroi. L'objectif principal est de reconsidérer les approches existantes de la turbulence, en s'appuyant sur des outils numériques récents, afin d'obtenir des résultats plus précis sur des maillages non-structurés, notamment en proche paroi. Dans la perspective d'une hybridation avec l'approche LES, nous étudions tout d'abord les performances d'un modèle k-ε bas-Reynolds linéaire. Nous le comparons ensuite à une extension non-linéaire cubique qui permet de tenir compte de l'effet d'anisotropie. Le solveur Navier-Stokes compressible utilise une approche mixte éléments/volumes finis instationnaire implicite. Dans deux cas d'écoulements stationnaires nous obtenons des résultats satisfaisants avec le modèle linéaire, alors que l'extension non-linéaire montre une forte sensibilité au paramètre de viscosité turbulente Cμ. Dans le cas instationnaire, le modèle non-linéaire s'est montré bien plus performant. Nous proposons ensuite une combinaison originale entre les approches de type RANS et LES. L'idée de base consiste à résoudre le champ moyen par les équations de type RANS, puis à le corriger en ajoutant les fluctuations résolues par l'approche VMS (Variational Multi-Scale) de la LES. Le terme de correction est amorti par une fonction d'hybridation continue à travers le domaine de calcul. Le modèle obtenu est appliqué à l'écoulement 3D autour d'un cylindre circulaire à séparation turbulente. Nous analysons les différentes régions de l'écoulement ainsi que sa topologie.
Author: Van Huyen Vu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l'écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie, couplées à une équation d'état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l'écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d'informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l'échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l'interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d'écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l'argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi.
Author: Benoît de Laage de Meux
Author: Benoît de Laage de Meux
Author: Christophe Friess
Author: Thanh Tung Tran
Author: Marcos Vinicius Bortolus
Author: Vladimir Duffal
Author: Charbel Habchi
Author: Gilmar Mompean Munhoz Cruz
Author: Gilles Chaineray
Author: Yacine Bentaleb
Author: Van Huyen Vu