Contribution to the numerical simulation of turbulent shock-induced separated flows : Application to supersonic over-expanded nozzles flows
Contribution à la simulation numérique des décollements d'écoulements turbulents induits par choc. Application à l'écoulement sur-détenu de tuyère supersonique
Résumé
Shock-induced flow separation and reattachment are encountered in many configurations, such as supersonic inlets, transonic airfoils or rocket nozzles. These phenomena involve complex interactions of boundary layers with compression or expansion waves and exhibit a low-frequency unsteady behaviour which still requires a clear explanation. This study aims at better identifying the physical mechanisms which drive the global structure of these flows and suggesting improved numerical tools in order to predict these more accurately. The appearance of free and restricted separations in supersonic annular jets occuring in thrust optimised contour nozzles operating in overexpanded conditions is more particularly investigated while various hypothesis are tested to explain the evolution of the associated unsteady asymmetric wall pressure field in function of the nozzle pressure ratio. The numerical strategy proposed relies on a realizable extension of the Detached Eddy Simulation, combined with high order shock capturing schemes and an implicit time integration algorithm. This methodology is applied for a wide range of both constant or transient inflow conditions and leads to identify more accurately the appearance of free and restricted separations and the time-varying morphology of the flow during the transition process. For both regimes, the simulation is carried out for long-enough time to perform reliable statistical analysis and azimuthal expansion of the wall pressure field and thus investigate extensively the possible origins of the side-load activities.
Les décollements d'écoulement induits par choc et leur éventuel réattachement sur paroi sont observés dans de nombreuses configurations d'intérêt pratique, incluant les entrées d'air, les profils transsoniques ou les tuy`eres de lanceurs spatiaux. Ces phénom`enes mettent en jeu des interactions complexes entre couches limites et ondes de choc ou de détente conduisant à des instationnarités à basses fréquences dont l'origine reste aujourd'hui à élucider. Cette étude vise d'une part à proposer une stratégie numérique permettant de prévoir plus précisément ces phénom`enes de décollement et d'autre part d'identifier les principaux mécanismes physiques qui pilotent l'évolution de leur structure globale. L'étude porte plus particuli`erement sur les configurations de décollements libres ou séparés apparaissant en tuy`ere optimisée en poussée opérant en régime surdétendu. Différents mod`eles phénoménologiques sont ainsi testées pour décrire l'évolution du champ de pression instationnaire et dissymétrique en fonction du niveau de surdétente. La stratégie numérique proposée repose sur la combinaison de schémas à capture de choc d'ordre élevé (WENO 5), d'algorithmes d'intégration implicite en temps et d'une modélisation de la turbulence étendant l'approche Detached Eddy Simulation via l'ajout de corrections de réalisabilité. Une large plage de niveaux de surdétente est considérée, à la fois en condition d'entrée stabilisée et transitoire, afin de clarifier les conditions d'existence des différents régimes de décollements libres et restreints, ainsi que l'évolution temporelle de la morphologie globale de l'écoulement transitant entre ces deux régimes. L'évolution instationnaire de l'écoulement est simulée sur des temps suffisamment longs pour permettre une analyse spectrale des contributions des premiers modes azimutaux à la dynamique basse fréquence du champ de pression pariétale.
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