Simulation des grandes échelles des écoulements turbulents inertes et réactifs en aval d’un élargissement brusque symétrique PDF Download
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Book Description
Ce travail est consacré à la simulation numérique des grandes échelles des écoulements turbulents inertes et réactifs en aval d’un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés. L’objectif de cette étude est, dans un premier temps, d’explorer les possibilités offertes par la résolution d’équations différentielles stochastiques (EDS) permettant d'imposer des conditions aux limites instationnaires et initialiser un calcul utilisant la simulation numérique des grandes échelles (LES). Cette méthode de génération de conditions aux limites instationnaires a ensuite été introduite au sein d’un code de mécanique des fluides réactifs de type LES utilisant un modèle de sous-maille de type Smagorinsky ainsi qu’un modèle de combustion de type Eddy-Break-Up. Les résultats décrivent la structure de l’écoulement dans les trois cas (1) d’un fluide inerte, (2) d’un mélange de deux fluides inertes non isothermes et (3) de combustion d’un mélange très pauvre. Les résultats soulignent que l’introduction de conditions d’entrée générées par EDS permet de mieux représenter les champs fluctuants avec des propriétés correspondantes aux mesures expérimentales disponibles. En ce qui concerne les écoulements inertes en aval de l’élargissement brusque, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement entre les deux zones de recirculation. Celle-ci est engendrée par une légère différence entre les vitesses d’entrée dans les deux canaux. L’étude de l’écoulement dans le cas où les deux canaux sont alimentés par des fluides inertes mais de températures différentes, a permis de caractériser l’influence du gradient transversal de température à l’entrée et des conditions d’entrée sur le développement de la couche de mélange en aval. Pour les écoulements réactifs, la structure de l’écoulement dans la chambre est altérée, notamment par la variation des longueurs des zones de recirculation, et l’analyse instationnaire a permis de mettre en évidence l’existence d’un faible battement du front de flammes dans la chambre.
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Ce travail est consacré à la simulation numérique des grandes échelles des écoulements turbulents inertes et réactifs en aval d’un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés. L’objectif de cette étude est, dans un premier temps, d’explorer les possibilités offertes par la résolution d’équations différentielles stochastiques (EDS) permettant d'imposer des conditions aux limites instationnaires et initialiser un calcul utilisant la simulation numérique des grandes échelles (LES). Cette méthode de génération de conditions aux limites instationnaires a ensuite été introduite au sein d’un code de mécanique des fluides réactifs de type LES utilisant un modèle de sous-maille de type Smagorinsky ainsi qu’un modèle de combustion de type Eddy-Break-Up. Les résultats décrivent la structure de l’écoulement dans les trois cas (1) d’un fluide inerte, (2) d’un mélange de deux fluides inertes non isothermes et (3) de combustion d’un mélange très pauvre. Les résultats soulignent que l’introduction de conditions d’entrée générées par EDS permet de mieux représenter les champs fluctuants avec des propriétés correspondantes aux mesures expérimentales disponibles. En ce qui concerne les écoulements inertes en aval de l’élargissement brusque, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement entre les deux zones de recirculation. Celle-ci est engendrée par une légère différence entre les vitesses d’entrée dans les deux canaux. L’étude de l’écoulement dans le cas où les deux canaux sont alimentés par des fluides inertes mais de températures différentes, a permis de caractériser l’influence du gradient transversal de température à l’entrée et des conditions d’entrée sur le développement de la couche de mélange en aval. Pour les écoulements réactifs, la structure de l’écoulement dans la chambre est altérée, notamment par la variation des longueurs des zones de recirculation, et l’analyse instationnaire a permis de mettre en évidence l’existence d’un faible battement du front de flammes dans la chambre.
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Ce travail est consacré à la simulation numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés en aval d'un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés d'air ou air+propane. L'objectif est, d'une part, de tester sur une géométrie "simple", une modélisation de la combustion en écoulements turbulents et en régime de prémélange et, d'autre part, d'estimer le niveau de précision obtenue afin de pouvoir quantifier une éventuelle amélioration liée à l'utilisation de modèles plus sophistiqués. Le modèle de turbulence k-ε sous sa forme standard avec la loi de paroi, et le modèle de combustion du type PDF présumé, modèle CLE, ont été retenus pour nos simulations. Une étude préliminaire du type KPP nous a permis de déduire les caractéristiques propagatives des zones de réactions moyennes à richesse constante, calculées sur la base du modèle de combustion retenu. Dans ce travail, ont été simulés : trois écoulements inertes et trois écoulements réactifs à richesse constante pour nombres de Reynolds égaux à 25000, 50000 et 75000 et deux écoulements réactifs à richesse variable pour nombre de Reynolds 25000. Concernant les écoulements inertes, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement des deux zones de recirculation moyennes. Pour les écoulements réactifs à richesse constante, on retrouve également la resymétrisation de l'écoulement moyen observée expérimentalement. En revanche, la longueur des zones de recirculation moyenne est fortement sous-estimée par le calcul. Un comportement auto-semblable dans la zone proche de l'élargissement est également retrouvé. Pour les écoulements à richesse variable, la perte de symétrie de l'écoulement moyen est bien retrouvée, mais les longueurs des zones de recirculation moyennes sont toujours sous-estimées par le calcul. Des indicateurs quantitatifs d'écart entre les résultats numériques et expérimentaux sont fournis pour les écoulements inertes et réactifs considérés, permettant à l'avenir, d'estimer le gain apporté par le recours à des simulations basées sur une évolution ou sur une amélioration de modèles physiques retenus de le cadre de cette étude.
Author: Aristeu Silveira Neto Publisher: ISBN: Category : Turbulence Languages : en Pages : 340
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UNE ETUDE STATISTIQUE ET TOPOLOGIQUE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE EN AVAL D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE REALISEE AU MOYEN DES TECHNIQUES DE SIMULATION DIRECTE ET DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LA FORMATION DES STRUCTURES COHERENTES QUI COMPOSENT LA COUCHE DE MELANGE BIDIMENSIONNELLE. LA SIMULATION DIRECTE A ETE UTILISEE DANS CE CAS. LES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS ONT ETE ETUDIES A L'AIDE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. DANS CE CAS LE MODELE SOUS-MAILLE EST UNE ADAPTATION LOCALE DANS L'ESPACE PHYSIQUE DU CONCEPT DE VISCOSITE TURBULENTE DANS L'ESPACE DE FOURIER. LA STATISTIQUE DE LA TURBULENCE EST VALIDEE AU MOYEN DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CORRESPONDANT A UNE MARCHE PETITE. DES CALCULS SUPPLEMENTAIRES SUR UNE MARCHE HAUTE ONT PERMIS L'ETUDE TOPOLOGIQUE DES INSTABILITES PRIMAIRES ET SECONDAIRES LIEES A LA COUCHE DE MELANGE
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LES ECOULEMENTS TURBULENTS SE RENCONTRENT DANS DE TRES NOMBREUSES APPLICATIONS, AUTANT DANS LA VIE QUOTIDIENNE QUE DANS L'INDUSTRIE OU ILS REVETENT SOUVENT UNE GRANDE IMPORTANCE. LES OBJECTIFS DU TRAVAIL PRESENTE ETAIENT LE DEVELOPPEMENT ET L'ETUDE D'UNE METHODE ET DE MODELES NUMERIQUES ADAPTES A LA SIMULATION INSTATIONNAIRE D'ECOULEMENT DE FLUIDES COMPRESSIBLES TURBULENTS AU MOYEN DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (LES). LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE AUX ASPECTS THEORIQUES. ON Y INTRODUIT LES DIFFERENTES FORMES DE FILTRAGE, UNE FORMULATION ORIGINALE INSPIREE DES TRAVAUX DE VREMAN AINSI QU'UNE MODELISATION SOUS-MAILLE ORIGINALE BASEE SUR LE MODELE D'ECHELLES MIXTES. LA SECONDE PARTIE S'ATTACHE A TESTER SIX MODELES SOUS-MAILLE (ET LEUR HYBRIDATION AVEC UN MODELE DE SIMILARITE D'ECHELLES) POUR UN ECOULEMENT PERIODIQUE COMPRESSIBLE CONFINE AVEC DES PAROIS ISOTHERMES. LES COMPARAISONS SONT FAITES AVEC DES DONNEES DE REFERENCE EXPERIMENTALES ET ISSUES DE SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES DANS UN CAS SUBSONIQUE ET DANS UN CAS SUPERSONIQUE. DANS UNE TROISIEME PARTIE NOUS NOUS SOMMES ATTACHES A ETUDIER L'INFLUENCE SUR LA QUALITE DES RESULTATS DE L'ORDRE DU SCHEMA DE DISCRETISATION DES TERMES DE CONVECTION. DANS UNE DERNIERE PARTIE, NOUS AVONS PRESENTE UNE ETUDE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPRESSIBLE POUR UNE CONFIGURATION DECOLLEE (UNE CAVITE) A DES NOMBRES DE MACH ET DE REYNOLDS ELEVES ET PRESENTANT DE FORTS GRADIENTS DE DENSITE. L'APPROCHE MILES EST CHOISIE POUR LA MODELISATION DE LA TURBULENCE. LES RESULTATS OBTENUS SONT COMPARES AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS D'UNE CAMPAGNE DE MESURES EFFECTUEE EN PARALLELE AVEC CETTE ETUDE. BIEN QUE CERTAINES FAIBLESSES DES RESULTATS AIENT PU ETRE OBSERVES, L'APPROCHE MILES S'AVERE RENDRE COMPTE CORRECTEMENT DE LA DYNAMIQUE DANS LA CAVITE.
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Ce travail s'inscrit dans le cadre des études sur la simulation numérique des écoulements turbulents réactifs. Il a pour objet l'étude d'une méthode hybride basée sur l'utilisation conjointe d'une méthode lagrangienne à Fonction Densité de Probabilité (PDF) transportée et d'une méthode eulérienne de résolution des équations moyennées (RANS). La première partie est consacrée à la description des méthodes RANS et de l'approche à PDF transportée. Cette dernière est particulièrement détaillée : cela permet de mettre en avant les avantages et les inconvénients de cette approche. Dans ce contexte, on insiste sur les aspects liés à la modélisation et à la résolution de l'équation de transport de la PDF. Sa résolution s'appuie couramment sur des simulations numériques de type Monte-Carlo. On montre également comment la nature statistique des méthodes de Monte-Carlo induit des difficultés numériques qui ont conduit à l'élaboration de méthodes hybrides associant méthode RANS et approche à PDF transportée. Dans la seconde partie de cette étude, les aspects théoriques et numériques des méthodes hybrides sont alors détaillés en particulier le modèle PEUL+ développé à l'ONERA. Une nouvelle procédure de couplage de type instationnaire est proposée. Elle améliore la stabilité et la précision du modèle par rapport à la procédure de couplage stationnaire. Elle est ensuite testée et validée sur deux configurations : tout d'abord sur une flamme non prémélangée méthane-air stabilisée par une flamme pilote puis sur une flamme de prémélange dans un élargissement brusque symétrique.
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L'ECOULEMENT TURBULENT EN AVAL D'UNE MARCHE DESCENDANTE EST ETUDIE PAR SIMULATION NUMERIQUE DES GRANDES ECHELLES. UNE ETUDE PREALABLE SUR LA CARACTERISATION DES TOURBILLONS COHERENTS DANS DIVERS ECOULEMENTS ACADEMIQUES EST REALISEE. ELLE A CONCLU A LA SUPERIORITE DU CHAMP DU SECOND INVARIANT DU TENSEUR DES GRADIENTS DE VITESSE POUR ISOLER CES TOURBILLONS ET PERMETTRE AINSI UN MEILLEUR SUIVI DE LA DYNAMIQUE TOURBILLONNAIRE. LA PARTIE IMPORTANTE DE CET OUVRAGE EST CONSACREE A L'ETUDE DE LA MARCHE DESCENDANTE. UNE REVUE DES PRINCIPALES ETUDES REALISEES NOUS A PERMIS DE CHOISIR UNE CONFIGURATION BIEN DOCUMENTEE EN DONNEES STATISTIQUES AFIN DE VALIDER LE CALCUL REALISE. CETTE VALIDATION AYANT ETE EFFECTUEE, NOTRE INTERET S'EST PORTE ENSUITE SUR LES SPECIFICITES DES ECOULEMENTS DECOLLES QUE L'ON RETROUVE DANS DES COMPORTEMENTS ATYPIQUES DE CERTAINES GRANDEURS MOYENNES. L'EXAMEN DES TOURBILLONS COHERENTS A FAIT L'OBJET D'UNE ATTENTION PARTICULIERE. LE COMPORTEMENT DE TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ A ETE MIS EN PARALLELE AVEC CELUI OBSERVE DANS LES COUCHES DE MELANGES PLANES AVEC ALTERNANCE DE TROIS REGIMES D'APPARIEMENTS DISTINCTS. DE PLUS, LA GENERATION DE TOURBILLONS EN FORME DE A PU ETRE MISE EN LUMIERE. CES TOURBILLONS, GENERES JUSTE EN AVAL DE LA MARCHE, SE REFLECHISSENT SUR LA PAROI INFERIEURE, ET SONT TRANSPORTES VERS L'AVAL TEMOIGNANT DE LA PERSISTANCE DE STRUCTURES DE GRANDE ECHELLE EN AVAL DU RATTACHEMENT. FINALEMENT, TROIS FREQUENCES DOMINANTES ONT PU ETRE CARACTERISEES ET CORRESPONDENT AUX MODES FONDAMENTAL, SOUS-HARMONIQUE ET DE BATTEMENT.
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L'objectif de cette étude est d'analyser l'impact d'un gradient thermique sur un écoulement turbulent subsonique dans un canal plan bi-périodique avec températures pariétales imposées pour des nombres de Reynolds de frottement de 180 et 395. Pour ce type d'écoulement, caractérisé par des variations de température qui peuvent être importantes et donc des variations significatives des propriétés du fluide, nous utilisons la Simulation des Grandes Echelles avec un algorithme basé sur les équations bas Mach. Dans un premier temps, nous comparons certains de nos résultats avec des données de simulations numériques directes et validons ainsi les choix effectués. Nous étudions ensuite l'influence des variations de la conductivité et de la viscosité et montrons que celle-ci est négligeable pour un cas faiblement anisotherme mais pas lorsque l'anisothermie est forte. La question de la modélisation sous-maille thermique est ensuite abordée. Nos résultats ne montrent pas de différence significative entre les modèles à nombre de Prandtl sous-maille constant et dynamique. Nous analysons l'effet d'une augmentation du rapport de températures et observons une perte de symétrie des profils. Le mécanisme physique sous-jacent est expliqué. Enfin, nous employons l'adimensionnement semi-local et la transformation de Van Driest et observons alors un rapprochement des profils obtenus à faible et à fort ratios de températures.
Author: Yacine Kahil Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 153
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La thèse présente des études numériques avec analyse approfondie d'écoulements turbulents autour d'un ou plusieurs cylindres sur différentes configurations illustratives d'applications industrielles. L'objectif est de comprendre le comportement de l'écoulement et d'expliquer les phénomènes physiques qui apparaissent dans certaines configurations. A l'aide de la technique de la simulation des grandes échelles (LES), les champs instantanés de l'écoulement et les forces exercées sur les cylindres sont calculés. En variant la distance entre le centre des cylindres, plusieurs topologies de sillage apparaissent. Les simulations ont montré que pour les petits espacements, les configurations se comportent quasiment comme un corps unique. Cependant, pour les rapports intermédiaires, des instabilités apparaissent avec changement de comportement de l'écoulement et aussi des échappements tourbillonnaires qui auraient un grand effet sur les fluctuations des structures. Le but de notre travail est de définir les causes de ces instabilités et le moment de leur apparition. Pour les grands espacements, les structures se comportent comme un seul cylindre avec certaines différences pour ceux situés dans le sillage des cylindres en amont. En plus, l'influence de l'espacement sur les changements de mode et les structures qui en sont responsables sont présentée en détail. Les données obtenues dans cette thèse permettront d'une part d'aborder la configuration de faisceaux de tube avec un degré de confiance plus élevé. D'autre part, une base de données sera créée et mise à disposition de la communauté scientifique pour la validation des codes de calcul ou la compréhension approfondie des phénomènes physiques en jeu
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CETTE THESE PORTE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE D'UN ECOULEMENT INTERNE COMPRESSIBLE, INSTATIONNAIRE ET TURBULENT A L'AIDE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (SGE). DANS CETTE APPROCHE, LES GRANDES ECHELLES ENERGETIQUES ET INSTATIONNAIRES DE L'ECOULEMENT SONT CALCULEES, TANDIS QUE LES PETITES ECHELLES SONT MODELISEES. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL, REALISE EN COLLABORATION AVEC LE CONSORTIUM INDUSTRIE-RECHERCHE DANS LES TURBOMACHINES (CIRT) ET LE LEMFI, EST D'ANALYSER LES POTENTIALITES DE LA SGE POUR LE CALCUL D'ECOULEMENTS CONFINES EN GEOMETRIE 3D EN VUE D'APPLICATIONS AUX TURBOMACHINES. LE CAS D'ETUDE RETENU POUR LA VALIDATION DE LA METHODOLOGIE EST L'ECOULEMENT DANS UNE TUYERE 3D TRANSSONIQUE POUR LEQUEL IL EXISTE DE NOMBREUX RESULTATS STATISTIQUES (LEMFI) ET EXPERIMENTAUX (ONERA). LA TUYERE EST CARACTERISEE PAR UNE BOSSE EN FLECHE SUR LA PAROI BASSE GENERATRICE D'EFFETS 3D. L'ECOULEMENT, SANS ROTATION, PRESENTE CEPENDANT LES PHENOMENES PHYSIQUES COMPLEXES D'INTERACTION ONDE DE CHOC/COUCHE LIMITE ET DE LARGE DECOLLEMENT, COMME CEUX RENCONTRES AU SEIN DES TURBOMACHINES. LA SGE EST OBTENUE A PARTIR D'UN MODELE DE SOUS MAILLE D'ECHELLES MIXTES DEVELOPPE AU LIMSI-CNRS. LA DISCRETISATION TEMPORELLE DES EQUATIONS EST REALISEE PAR UN SCHEMA DE RUNGE-KUTTA EXPLICITE D'ORDRE DEUX. LES FLUX EULER SONT DISCRETISES PAR UN SCHEMA TVD D'HARTEN-YEE D'ORDRE DEUX TANDIS QUE LES FLUX VISQUEUX LE SONT PAR UN SCHEMA CENTRE. LA SGE A PERMIS D'OBTENIR DES INFORMATIONS INSTATIONNAIRES SUR L'ECOULEMENT, ET DE METTRE EN EVIDENCE LA FORMATION ET LE LACHER DE TOURBILLONS DANS LA TUYERE. LA SOLUTION INSTATIONNAIRE EST DIFFERENTE DE LA SOLUTION STATIONNAIRE RANS OBTENUE AVEC UNE MODELISATION STATISTIQUE CLASSIQUE ET MONTRE L'OSCILLATION DU CHOC ET LA DESTABILISATION DU DECOLLEMENT AU COURS DU TEMPS. LES RESULTATS DE LA SGE OBTENUS SUR LE NOMBRE DE MACH ISENTROPIQUE, LES PROFILS DE LA VITESSE MOYENNE ET LES TENSIONS DE REYNOLDS SONT DISCUTES ET COMPARES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX (ONERA) ET STATISTIQUES, OBTENUS AVEC LE MODELE DE LAUNDER-SHIMA (LEMFI). LE BILAN DE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE (K) EST ANALYSE ET COMPARE A CELUI DONNE PAR LA MODELISATION STATISTIQUE, DANS LE DECOLLEMENT. LES RESULTATS DE LA SGE MONTRENT DES DIFFERENCES NOTABLES AVEC LES RESULTATS STATISTIQUES DANS LE CUR DE LA TUYERE : LES TERMES DE FLUCTUATIONS DE PRESSION IMPORTANTS MESURES DANS LE CHOC SONT PRIS EN COMPTE PAR LA SGE.
Author: Phu Khanh Nguyen
Author: Phu Khanh Nguyen
Author: Bernardo Martinez Ramirez
Author: Aristeu Silveira Neto
Author: Phuc Danh Nguyen (ingénieur combustionniste))
Author: ERIC.. LENORMAND
Author: Christophe Thauvoye
Author: FRANCK.. DELCAYRE
Author: Sabine Husson
Author: Yacine Kahil
Author: LAURE.. COQUART