Analyse a-priori de modèles LES sous-mailles appliqués à la turbulence de paroi avec gradients de pression

A-priori analysis of LES subgrid scale models applied to wall turbulence with pressure gradients

• Auteur / Autrice : Cuicui Li
• Direction : Michel Stanislas, Jean-Philippe19..-.... Laval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 18/11/2013
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Leriche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sagaut, Emmanuel Lévêque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lamballais, Liang Shao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Turbulence

Filtres

Simulation des grandes échelles

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Simulation des grandes échelles

Turbulence

Filtrage

Simulation numérique directe

Large Eddy Simulation

Turbulence

Filter

Direct numerical simulation

Résumé

Après plus de 50 ans de recherche, l'intérêt de la simulation des grandes échelles pour la simulation des écoulements instationnaires a été largement démontré et cette méthode est aujourd'hui utilisée pour une grande variété d'applications industrielles. Plusieurs classes de modèles sous-maille ont été proposées dont celle très connue des modèles de viscosité sous-maille souvent préférée pour sa simplicité et sa robustesse. Leur formulation comporte un coefficient qui doit être ajusté pour chaque type d'écoulement et qui a été analysé pour des géométries simples. L'objectif de ce travail est de réaliser des analyses a-priori de ces modèles dans un canal plan et un canal convergent-divergent à relativement grand nombre de Reynolds. Les influences du type de filtre et de la largeur du filtre sont systématiquement abordées pour chacune des statistiques. Le transfert d'énergie sous-maille et la dissipation sous-maille sont tout d'abord étudiés. Ensuite, les coefficients des modèles Smagorinsky, Smagorinsky dynamique, WALE et du modèle Sigma nouvellement proposé sont estimés a-priori. Il est démontré que les coefficients des quatre modèles sont non-homogènes dans le domaine de simulation et sont largement affectés par le gradient de pression adverse, principalement dans la zone de recirculation. Enfin, les corrélations entre les quantités exactes et leurs équivalents modélisés sont examinées. Les résultats montrent un faible niveau de prédiction des modèles sous-maille et une grande variabilité des quantités modélisées dans les régions de fort gradient de pression adverse. Ceci peut expliquer les difficultés pour obtenir de bons résultats LES dans une telle configuration

After more than 50 years of investigation, Large Eddy Simulation has demonstrated its benefit for unsteady flow simulation and is currently applied in a wide variety of engineering applications. Several classes of subgrid scale models were proposed, including the well known eddy viscosity models, usually preferred because of their simplicities and robustness. The formulation of these models includes a coefficient which needs to be analyzed for each flow configuration and which has been investigated in simple geometries.The aim of the present work is to perform a-priori analysis of subgrid scale models in plane channel flow and in a converging-diverging channel flow at fairly large Reynolds number.The influences of the filter type and filter width are systematically addressed in analyses of all statistics. The SGS energy transfer and energy dissipation are firstly analyzed.Then, the a priori estimate of the coefficients of subgrid scale models, including the standard Smagorinsky, Dynamic Smagorinsky, the WALE and the new updated sigma models, are investigated in detail. It is shown that, the coefficients of the four models are non-homogeneous in the simulation domain and are largely affected by the adverse pressure gradient, especially in the recirculation region. Finally, the correlations between the exact quantities and their counterparts modeled by the subgrid scale models with respect to three criteria are explored. The results show a low predictability of subgrid scale models and a strong variability of the modeled quantities in the region of strong adverse pressure gradient. This may explain the difficulty to obtain accurate LES results in such flow configuration