ZDES simulations of propulsive jets : physical analysis and influence of upstream turbulence

par Jonas Verrière

Thèse de doctorat en Mécanique des Fluides

Sous la direction de Sébastien Deck.

Soutenue le 23-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec ONERA - The French Aerospace Lab / Meudon (laboratoire) .

Le jury était composé de Fabien Gand, Jean-Christophe Robinet, José-Maria Fullana.

Les rapporteurs étaient Christophe Bogey, Eric Lamballais.

  • Titre traduit

    Simulations ZDES de jets propulsifs : analyse physique et influence de la turbulence amont


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’évaluation de la méthode ZDES pour la simulation de jets propulsifs. L’analyse se concentre sur le positionnement des cellules de chocs et le développement des couches de mélange d’une tuyère double-flux avec plug externe, typique des moteurs d’avions modernes. Les champs statistiques sont comparés aux résultats expérimentaux et discutés en termes de grandeurs moyennes, fluctuantes et dans le domaine fréquentiel. L’intérêt d’utiliser un schéma spatial peu dissipatif ainsi qu’une échelle de longueur sous-maille basée sur la vorticité locale est mis en évidence, notamment pour le dévelopement de la couche de mélange interne, et le mode 2 ("automatique") de la ZDES a démontré un comportement similaire au mode 1 ("manuel") dans les couches de mélange. Par ailleurs, la technique Random Flow Generation (RFG) mise en oeuvre afin de reproduire la turbulence amont existant au coeur des jets primaire et secondaire a permis d’accélérer la transition RANS-LES dans les deux couches de mélanges, plus conformément à l’expérience. La transition est d’autant plus rapide que le taux de turbulence est élevé et l’échelle de la turbulence injectée est petite. Le positionnement des cellules de choc est également amélioré, soulignant l’importance de prendre en compte la turbulence amont dans les simulations de jets.


  • Résumé

    In this thesis, the ZDES method is assessed for the simulation of propulsive jets. This work focuses on the shock-cell positioning and the mixing layer development of a dual-stream nozzle configuration with an external plug, typical of modern aircraft engines. Reynolds averaged data are discussed in terms of mean and fluctuating quantities as well as in the frequency domain and compared with experimental data. First, the advantage of using a low dissipative spatial scheme as well as a subgrid length scale based on the local vorticity is demonstrated, especially for the development of the core mixing layer. Besides, the "automatic" mode of ZDES (mode 2) is found to provide similar mixing layers as the user defined mode.Then, the use of the Random Flow Generation (RFG) technique at the inlet boundaries of the core and fan channels in order to reproduce the turbulence rate at the center of the nozzle ducts is shown to accelerate the RANS-to-LES transition in both external and internal mixing layers, which is in better agreement with the experimental results. The transition length is further reduced when the injected turbulent ratio is higher, but also when the injected turbulent length scale is smaller. Of interest, the shock-cell positioning in the fan jet is also improved using RFG, which emphasizes the importance of accounting for upstream turbulence for this type of simulations.


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