Lois de paroi adaptatives pour un modèle de fermeture du second ordre dans un contexte industriel

par Jean François Wald

Thèse de doctorat en Mécanique des Fluides

Sous la direction de Rémi Manceau.


  • Résumé

    Les calculs de CFD industriels pour les écoulements turbulents commencent par une phase complexe de réalisation de maillage (calculs de fond de cuve, de plénum supérieur ou d’assemblages combustibles par exemple dans le domaine nucléaire). Les premières contraintes prises en compte sont le plus souvent géométriques (complexité, détail, intuition ou retour d'expérience concernant les endroits « importants » où le maillage doit être raffiné). On doit cependant respecter des contraintes inhérentes aux modèles de turbulence RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) utilisés notamment la taille de la première cellule de calcul à la paroi. Si on utilise un modèle dit « Haut-Reynolds » (k- ε standard, SSG, …), on ne devrait trouver que des cellules de paroi ayant un centre à une distance adimensionnelle au moins égale à 20 pour pouvoir d’une part justifier l'utilisation de la loi « universelle » logarithmique pour la vitesse et d’autre part, ce qui souvent occulté, respecter le fait que ces modèles ne sont pas conçus pour des distances plus basses. En revanche, si on utilise un modèle dit « Bas-Reynolds » (BL-v²/k, EB-RSM, …), on devrait partout avoir des cellules de paroi ayant un centre à une distance adimensionnelle de la paroi très faible. Si ces modèles sont utilisés avec une partie des cellules en paroi ayant une distance adimensionnelle nettement supérieure, les résultats peuvent être catastrophiques (le calcul peut ou bien diverger ou bien donner des résultats avec une physique totalement fausse). Cette thèse propose le développement d'un nouveau modèle de turbulence avec lois de paroi adaptatives qui donne des résultats satisfaisants quelque soit le type de maillage utilisé, en particulier quand ce dernier contient à la fois des cellules dont le centre est à une distance « Bas-Reynolds » et « Haut-Reynolds ». Étant donné les écoulements complexes des configurations industrielles, ce nouveau modèle s'appuie sur l'utilisation d'un modèle du second ordre connu pour son bon comportement : le modèle EB-RSM. Ce modèle permet de reproduire l'anisotropie de la turbulence et comble certaines lacunes des modèles du premier ordre. Ce modèle est disponible dans Code_Saturne, code open source développé par EDF et au sein duquel les développements ont été réalisés.

  • Titre traduit

    Adaptive wall treatment for a second order turbulence model in an industrial context


  • Résumé

    CFD computations of turbulent flows always begin with a complex meshing process (upper plenum, fuel assembly in the nuclear industry for example). Geometrical constraints are the first ones to be satisfied (level of details, important zones to refine regarding “user experiences”). One has however to satisfy constraints that are inherent to the RANS model (Reynolds Averaged Navier Stokes) used for the computation. For example, if a « High-Reynolds » (k-ε standard, SSG, …) model is used one should only have wall cells with a dimensionless distance to the wall greater or equal to 20 to justify the use of the universal “law of the wall”. On the other hand, if a « Low-Reynolds » (BL-v²/k, EB-RSM, …) model is used, one should only find wall cells with a dimensionless distance to the wall below 1. If those models are used in an inappropriate way the results could be dramatic (computations can either diverge or give unphysical results). This thesis proposes the development of a new turbulence model with adaptive wall treatments that gives satisfactory results on all types of meshes. In particular, the model will be able to cope with meshes containing both « High-Reynolds » and « Low-Reynolds » wall cells. Given the complex flows encountered in the nuclear industry this thesis will use a model known for its good behavior: the EB-RSM model. This model is able to reproduce the anisotropy of the turbulence and give more satisfactory results than eddy viscosity models in different configurations. This model is available in Code_Saturne, an open source code developed at EDF. Al the developments are made in this code.


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