Advanced near wall turbulence simulations on high Reynolds, curvilinear applications by means of a hybrid RANS/LES approach

Simulations avancées de turbulence pariétale à haut nombre de Reynolds sur des géométries curvilignes par une approche hybride RANS/LES

Romain Laraufie (1)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Châtillon]

The ability to simulate the dynamics of turbulent boundary layers is essential for the prediction of the unsteady aerodynamic and aeroacoustic properties of both land and air vehicles. Therefore, the present work proposes an innovative method to simulate near wall flows, around curvilinear geometries at high Reynolds numbers. The "Wall Modelled Large Eddy Simulation" mode of the ZDES method is considered here. First of all, a turbulence reactivation method, based on the combination of a synthetic turbulence injection method and of a body forcing one, is developed in order to allow a local WMLES resolution of the regions of interest within an essentially RANS calculation. Therefore, the study of the interactions that exist between the physics and the ZDES numerical method, in the case of a zero pressure gradient turbulent boundary layer developing over a flat plate until Re=13 000, led to a generalization of the guide lines to use the WMLES mode of the ZDES. Advanced unsteady post-processing enabled to demonstrate the ability of the method to simulate the specific dynamics of the outer region at high Reynolds numbers. Finally, the various methods that have been developed during this study were applied to the simulation of a S-shaped duct of rectangular section. The multi-scale dynamic of this flow as well as its resulting distortions were successfully simulated thanks to this new method, for an overall cost reduction of about 50 times compared to a traditional LES approach

La capacité de simuler la dynamique de la couche limite turbulente représente aujourd'hui un enjeu important pour la prévision de l'aérodynamique instationnaire et de l'aéroacoustique des aéronefs et des véhicules terrestres. Aussi, les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une méthode originale de simulation de la dynamique des écoulements turbulents pariétaux, à haut nombre de Reynolds, sur des géométries curvilignes. L'approche ZDES, dans son mode " Wall Modelled Large Eddy Simulation ", est ici retenue. Dans un premier temps, une méthode de réactivation turbulente, par combinaison de l'injection de turbulence synthétique et de l'application de termes de forçage, est développée afin de permettre une résolution WMLES locale des régions d'intérêt au sein d'une simulation majoritairement RANS. Puis l'étude des interactions entre la physique et la méthode de résolution numérique (ZDES), sur le cas d'une couche limite turbulente sans gradient de pression en développement spatial jusqu'à Re13 000, a conduit à une généralisation des conditions d'emploi du mode WMLES de la ZDES. Des post-traitements instationnaires avancés ont permis de démontrer la capacité de la méthode à simuler la dynamique particulière de la zone externe à ces grands nombres de Reynolds. Enfin, les différentes méthodes développées au cours de cette étude ont été appliquées à la simulation d'une manche à air coudée de section rectangulaire. Cette nouvelle méthode a permis de simuler avec succès la dynamique multi-échelles de cet écoulement et des distorsions dynamiques associées, pour un coût environ 50 fois inférieur à celui d'une approche LES classique

Mots clés: Turbulence pariétale; Haut nombre de Reynolds; Condition d'entrée turbulente; Termes sources; géométries complexes; Hybride RANS/LES

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Romain Laraufie. Simulations avancées de turbulence pariétale à haut nombre de Reynolds sur des géométries curvilignes par une approche hybride RANS/LES. Mécanique [physics.med-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ⟨NNT : 2012PAO66515⟩. ⟨tel-00831614⟩