Self adaptive turbulence models for unsteady compressible flows Modèles de turbulence auto-adaptatifs pour la simulation des écoulements compressibles instationnaires

par Grégoire Pont

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Soutenue le 08-04-2015

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Dynamique des Fluides (Paris) (laboratoire) et de Laboratoire de Dynamique des Fluides (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Croisille.

Le jury était composé de Paola Cinnella, Jean-Christophe Robinet, Pierre Brenner, Ivan Mary.

Les rapporteurs étaient Philippe Spalart, Maria Vittoria Salvetti.

  • Titre traduit

    Modèles de turbulence auto-adaptatifs pour la simulation des écoulements compressibles instationnaires


  • Résumé

    Cette thèse est principalement dédiée à la simulation des écoulements massivement décollés dans le domaine spatial. Nous avons restreint notre étude aux écoulements d'arrière-corps, pour lesquels ces décollements sont imposés par des changements brutaux de la géométrie. Dans le domaine spatial, le caractère fortement compressible des écoulements rencontrés impose l'utilisation de schémas numériques robustes. D'un autre coté, la simulation fine de la turbulence impose des schémas d'ordre élevé et peu dissipatifs. Ces deux spécifications, apparemment contradictoires, doivent pourtant coexister au sein d'une même simulation. Les modèles de turbulence ainsi que les schémas de discrétisation sont indissociables et leur couplage doit impérativement être considéré. Les schémas numériques doivent garder leur précision formelle dans des géométries complexes et des maillages très irréguliers imposés par le contexte industriel. Cette étude analyse le schéma de discrétisation utilisé dans le code de calcul FLUSEPA développé par Airbus Defence & Space. Ce schéma est robuste et précis pour des écoulements avec chocs et il présente une faible sensibilité au maillage (l'ordre 3 étant conservé même sur des maillages fortement perturbés). Malheureusement, le schéma possède une trop faible résolvabilité liée à un niveau de dissipation trop élevé pour envisager des simulations hybrides RANS/LES. Pour pallier à cet inconvénient, nous nous sommes penchés vers une solution basée sur un recentrage conditionnel et local : dans les zones dominées par des structures tourbillonnaires, une fonction analytique assure un recentrage local lorsque la stabilité numérique le permet. Cette condition de stabilité assure le couplage entre le schéma et le modèle. De cette manière, les viscosités laminaire et tourbillonnaire sont les seules à jouer un rôle dans les régions dominées par la vorticité et servent aussi à stabiliser le schéma numérique. Cette étude présente de plus une comparaison qualitative et quantitative de plusieurs modèles hybrides RANS/LES, à égalité de maillage et de schéma utilisés Pour cela, un certain nombre d'améliorations (notamment de leur capacité à résoudre les instabilités de Kelvin-Helmohlotz sans retard), proposées dans la littérature ou bien introduites dans cette thèse, sont prises en compte. Les applications numériques étudiées concernent des géométries allant de la marche descendante au lanceur spatial complet à échelle réduite.


  • Résumé

    This thesis is mainly dedicated to the simulation of massively separated flows in the space domain. We restricted our study to afterbody flows, where the separation is imposed by abrupt geometry changes. In the space domain, highly compressible flows require the use of robust numerical schemes. On the other hand, the simulation of turbulence imposes high-order low dissipative numerical schemes. These two specifications, apparently contradictory, must coexist within the same simulation. The coupling between turbulence models and discretization schemes is of the utmost importance and must be considered. Numerical schemes should keep their formal accuracy on complex geometries and on very irregular meshes imposed by the industrial context. In this research, we analyze the discretization scheme implemented in the FLUSEPA solver, developed by Airbus Defence & Space. Such a scheme is robust and accurate for flows with shocks and exhibits a low sensitivity to the grid (the third order of accuracy being ensured, even on highly irregular grids). Unfortunately, the scheme possesses a too low resolvability related to a too high numerical dissipation for RANS/LES simulations. To circumvent this problem, we considered a conditional and local re-centering strategy: in regions dominated by vortical structures, an analytic function provides local re-centering when a numerical stability condition is satisfied. This stability condition ensures the coupling between the numerical scheme and the model. In this way, only the turbulent and the laminar viscosities play a role in regions dominated by vorticity, and also allow to stabilize the numerical scheme. This study provides also a qualitative and quantitative assessment of several hybrid RANS/LES models, using the same grids and discretization scheme. For this purpose some recent improvements (improving their ability to trigger the Kelvin-Helmohlotz instabilities without delay), proposed in the litterature or suggested in this work, are taken into account. Numerical applications include geometrical configurations ranging from a backward facing step to realistic launcher configurations.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Arts et Métiers. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.