Contribution au développement de la simulation des grandes échelles implicite pour compressible et écoulements turbulents réactifs

par Mehmet Karaca

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Sinan Akmandor et de Ivan Fedioun.

Le président du jury était Iskender Gokalp.

Le jury était composé de Sinan Akmandor, Ivan Fedioun, Iskender Gokalp, Luc Vervisch, Metin Muradoglu, Oguz Uzol.

Les rapporteurs étaient Luc Vervisch, Metin Muradoglu.


  • Résumé

    Ce travail a pour but de comparer les approches de simulation numérique des grandes échelles explicite (LES) et implicite (ILES) pour un jet turbulent non-réactif ou réactif d’hydrogène à grande vitesse dans un co-courant d’air, typique d’un super-statoréacteur. La résolution des calculs va de 32 × 32 × 128 à 256 × 256 × 1024, à l’aide d’un schéma WENO d’ordre 5. Les LES explicites emploient les modèles sous-maille de Smagorinsky et de Fonction de Structure Sélective, associés au transport moléculaire. Les LES implicites sont réalisées avec et sans modèle de transport moléculaire, en résolvant les équations de Navier- Stokes ou d’Euler. Dans le cas non-réactif, le modèle de Smagorinsky est trop dissipatif. Le modèle de Fonction de Structure Sélective améliore les résultats, sans faire mieux que l’approche ILES quelle que soit la résolution. Dans le cas réactif, une coupure physique visqueuse est indispensable pour fixer une épaisseur à la flamme, et assurer la convergence en maillage de l’approche ILES. On montre aussi que les résultats LES/ILES sont moins sensibles aux conditions d’injection que ceux de l’approche RANS. Le premier chapitre est une introduction générale au contexte de l’étude. Au second chapitre, on rappelle les équations générales pour un écoulement réactif et on détaille les modèles thermodynamique et de transport retenus. Au troisième chapitre, les équations de la LES et les modèles sous-maille sont présentés. On examine également quelques propriétés du schéma numérique. Le chapitre 4 est consacré à la méthode numérique et au code de calcul. Enfin, on présente les cas-tests et on discute les résultats au chapitre 5.

  • Titre traduit

    Contribution to the development of implicit large eddy simulation methods for compressible and reacting turbulent flows


  • Résumé

    This work is intended to compare Large Eddy Simulation and Implicit Large Eddy Simulation (LES and ILES) for a turbulent, non-reacting or reacting high speed H2 jet in co-flowing air, typical of scramjet engines. Numerical simulations are performed at resolutions ranging from 32 × 32 × 128 to 256 × 256 × 1024, using a 5th order WENO scheme. Physical LES are carried out with the Smagorinsky and the Selective Structure Function models associated to molecular diffusion. Implicit LES are performed with and without molecular diffusion, by solving either the Navier-Stokes or the Euler equations. In the nonreacting case, the Smagorinsky model is too dissipative. The Selective Structure Function leads to better results, but does not show any superiority compared to ILES, whatever the grid resolution. In the reacting case, a molecular viscous cut-off in the simulation is mandatory to set a physical width for the reaction zone in the ILES approach, hence to achieve grid-convergence. It is also found that LES/ILES are less sensitive to the inlet conditions than the RANS approach. The first chapter is an introduction to the context of this study. In the second chapter, the governing equations for multispecies reacting flows are presented, with emphasis on the thermodynamic and transport models. In the third chapter, physical LES equations and explicit sub-grid modeling strategies are detailed. Some properties of the numerical scheme are also investigated. In chapter four, the numerical scheme and some aspects of the solver are explained. Finally, non-reacting and reacting numerical experiments are presented and the results are discussed.

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