Développement d'une méthodologie active pour la simulation hybride RANS-LES des écoulements turbulents.

Development of an active methodology for hybrid RANS-LES computations of turbulent flows.

• Auteur / Autrice : Mahitosh Mehta
• Direction : Remi Manceau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides 1
• Date : Inscription en doctorat le 06/10/2020
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mathématiques et de leurs Applications de Pau

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Turbulence

Modélisation

Hybride RANS/LES

Fluid Mechanics

Turbulence

Modelling

Hybrid RANS/LES

Résumé

La puissance et le coût de calcul restent hors de portée dans un avenir prévisible pour la plupart des cas qui nécessitent de résoudre une grande partie du spectre de la turbulence. Pour cette raison, la recherche sur les méthodes hybrides RANS/LES, qui sont basées sur une résolution multi-échelle, est en plein essor depuis les deux dernières décennies. Les approches hybrides sont principalement divisées en deux catégories basées sur l'interface entre RANS et LES : i) approches zonales : caractérisées par une pré-division entre les zones RANS et LES par une interface discontinue, et ii) approches continues : caractérisées par une interface diffuse entre RANS et LES. Ces approches hybrides souffrent d'une diminution des contraintes turbulentes lorsqu'elles passent d'une description statistique (RANS) à une description filtrée (LES), ce qui est connu sous le nom de "Modelled Stress Depletion (MDS)", ou problème de "zone grise". Le but de cette thèse est de proposer un modèle actif pour corriger ce problème. Dans les approches zonales, à l'interface entre RANS et LES, il est nécessaire d'ensemencer l'entrée de la zone LES afin qu'elle génère rapidement des structures turbulentes et limite ainsi les effets de zone grise. Cependant, les approches zonales sont trop restrictives et peu flexibles pour les applications industrielles. Le travail effectué dans cette thèse s'inscrit dans le cadre des approches continues. Dans les méthodes hybrides continues, le passage de RANS à LES est activé par des critères basés sur la comparaison d'échelles, généralement l'échelle de longueur intégrale et la taille des mailles locales. Actuellement, les simulations hybrides continues RANS/LES sont assez simples à réaliser, mais Les fluctuations résolues doivent apparaître assez rapidement dans la zone grise et au début de la région LES pour éviter une sous-estimation de la contrainte turbulente lors du passage des zones entièrement modélisées aux zones partiellement résolues. Une génération naturelle de ces fluctuations est observée mais leur croissance n'est pas assez rapide. Pour résoudre ce problème, l'objectif est de générer une turbulence synthétique qui ajoute artificiellement des fluctuations pendant la transition RANS-LES. La présente thèse propose une méthode de forçage volumique basée sur le forçage linéaire anisotrope (ALF) pour générer des fluctuations résolues dans l'équation de quantité de mouvement résolue afin d'éviter le problème de la réduction des contraintes modélisées ("Modelled Stress Depletion (MDS)"). La méthode de forçage proposée est très simple et générale. En effet, elle ne nécessite aucune information sur les directions relatives de l'écoulement et de l'interface diffuse et est indépendante de tout formalisme sous-jacent. L'intensité du forçage est dérivée analytiquement de telle sorte que, lorsque la résolution est affinée, l'énergie perdue par le mouvement modélisé est injectée dans le mouvement résolu. Cette nouvelle méthode de forçage est appelée "active HTLES", car elle est appliquée à l'approche Hybrid Temporal LES (HTLES). Dans cette thèse, la méthode de forçage est développée, mise en œuvre, calibrée et testée dans trois cas d'écoulement différents : écoulement en canal, écoulement en collines périodiques et écoulement le long d'une marche descendante. L'introduction de ce forçage dans l'équation de quantité de mouvement résolue accélère la transition vers la LES et améliore les résultats. Bien qu'il faille la tester dans d'autres configurations, cette approche est très encourageante pour les applications industrielles.

As the computational power and computing cost remain out of the reach for foreseeable future for most of the cases that require scale-resolving computations, research in the hybrid RANS/LES methods which are based on multi-scale resolution are thriving for the last couple of decades. Hybrid approaches are primarily divided into two categories based on the interface between RANS and LES: i) zonal approaches: which are characterized by a pre-division between RANS and LES zones by a discontinuous interface, and ii) continuous approaches: which are characterized by a diffuse interface between RANS and LES. These hybrid approaches suffer from stress decay when they transition from statistical description (RANS) to filtered description (LES), which is known as "Modeled Stress Depletion (MDS)", or "grey area" problem, and the purpose of this thesis is to propose an active model to correct this problem. In zonal approaches, at the interface between RANS and LES, it is necessary to seed the LES zone inlet so that it rapidly generates vortex content and thus limits grey zone effects. The zonal approaches are too restrictive and inflexible for industrial applications. The work done in this thesis is under the framework of continuous approaches. In continuous hybrid methods, the switch from RANS to LES is activated by criteria based on scale comparison, generally the integral length scale and the local mesh size. With the current state of the art, continuous hybrid RANS/LES simulations are quite straightforward to perform. The question then arises as to whether the resolved fluctuations will appear quickly enough in the grey zone and the beginning of the LES region to avoid an underestimation of the turbulent stress when we move from completely modeled to partially resolved zones. A natural generation of these fluctuations is observed but their growth is not fast enough. To avoid this problem the aim is to generate synthetic turbulence that artificially adds fluctuations during the RANS-to-LES transition. The present thesis proposes a volume forcing method based on Anisotropic Linear Forcing (ALF) to generate resolved fluctuations in the resolved momentum equation to avoid the problem of modeled stress depletion. The new forcing methodology is very simple, as it requires no information on the relative directions of the flow and the diffuse interface, and general, as it is independent of any underlying formalism. The intensity of the forcing is derived analytically in such a way that, when the resolution is refined, the energy lost by the modeled motion is injected into the resolved motion. This new forcing method, called "active HTLES", as Hybrid Temporal LES (HTLES) is used as the preferred hybrid method, is developed, implemented, calibrated, and tested in three different flow cases: channel flow, periodic hill flow, and backward-facing step flow during the duration of this thesis. Introducing this forcing into the resolved momentum equation accelerates the transition to LES and improves the results. Although it requires testing in more configurations, it is very encouraging for industrial applications.