Simulation numérique des jets et sillages instationnaires dans la conception de formes aérodynamiques

Unsteady jets and wakes numerical simulation within aerodynamic shapes design

• Auteur / Autrice : Pierre Giner
• Direction : Bertrand Aupoix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 15/05/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (Toulouse, Haute-Garonne). Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (DMAE)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sillage (dynamique des fluides)

Aérodynamique

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

Jet

Sillage

Couche de mélange

Modélisation

Detached-Eddy

Simulation

Aérodynamique

Tuyère

Jet

Wake

Shear layer

Modelling

Detached-Eddy

Simulation

Aerodynamics

Nozzle

Résumé

L'intégration aérodynamique des turboréacteurs à grand taux de dilution nécessite, dès les phases de conception, une connaissance précise des propriétés instationnaires du développement du jet à l'aide de la simulation numérique. Différents niveaux de modélisation sont étudiés dans cette thèse pour évaluer la capacité des méthodes numériques à caractériser le développement du jet. Une configuration de jet moteur double-flux est ici étudiée, en s'appuyant sur une large base de données expérimentale. La modélisation par les équations de Navier-Stokes moyennées démontre une bonne capacité des modèles de turbulence à reproduire les champs moyens de ce type d'écoulement, particulièrement au niveau des couches de mélange. La capture des systèmes de choc développés au sein des jets primaire et secondaire, ainsi que la prévision des niveaux de turbulence des écoulements sont en revanche peu satisfaisantes. Un recalage de la simulation sur les conditions turbulentes expérimentales, à l'aide de différentes configurations, pallie en partie ce défaut. La nécessité de procéder à un calcul et non plus à une modélisation des phénomènes turbulents conduit à l'application d'une méthode de calcul à résolution de turbulence. L'approche hybride de simulation des tourbillons détachés type DES (Detached Eddy Simulation) de cet écoulement montre une précision au moins équivalente pour la prévision des champs moyens et apporte une grande quantité d'informations supplémentaire sur les champs fluctuants et les caractéristiques instationnaires des couches de mélange du jet, en accord avec les données expérimentales. On conclue sur l'applicabilité de cette méthode dans un contexte industriel,son gain de précision rapporté à son temps de calcul et la perspective d'une telle approche pour une configuration de jet installée plus complexe.

The aerodynamic integration of Ultra-High Bypass Ratio turbofans raises the need for an accurate prediction of the unsteady properties of the jet development using Computational Fluid Dynamics, since the design stages. The ability of numerical methods in predicting these phenomena are assessed in this thesis, using different modelling approaches. A dual-stream jet configuration is investigated, using an associated wind-tunnel test campaign. Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulations, using several turbulence models, are shown to correctly reproduce the mean flow especially concerning the shear layers. Shock cells and turbulence levels predictions within the primary and secondary jet flows are however perfectible compared to the test results. Turbulence-accounting approaches based upon experimental data and using different configurations partially overcome this issue. An unsteady methodis then applied in order to resolve turbulent phenomena instead of modelling them. The hybrid Detached-Eddy Simulation of the flow demonstrates an at least equivalent accuracy concerning the mean flow and provides additional information on the fluctuating fields and shear layers unsteady properties, in fair agreement with the experimental results. Prospects discuss benefits and consequences of this approach taking into account its cost and the industrial context of this application,as well as its potential use for a more complex, installed jet configuration.