Prediction of wall and turbulent heat fluxes by unsteady simulations in heated-turbulent flows
Prévision des flux de chaleur turbulents et pariétaux par des simulations instationnaires pour des écoulements turbulents chauffés
Résumé
The improvement of aerothermal predictions is a major concern for aeronautic manufacturers. In line with this issue, SAS approaches are assessed on the prediction of wall and turbulent heat fluxes for heated-turbulent flows. This study also aims at evaluating these advanced URANS methods in regard to DRSM models and hybrid RANS/LES approaches as ZDES. Firstly, we proposed to combine the SAS approach and a DRSM model in order to better reproduce both resolved and modelled Reynolds stresses. This new model, called SAS-DRSM, was implemented in ONERA Navier-Stokes code elsA. Unsteady simulations of two heated turbulent flows encountered in an aircraft engine compartment were then performed to evaluate all the SAS models available in the code. These numerical studies demonstrated that SAS approaches improve prediction of the flows compared to classical URANS models. They lead to fully 3D flows with many turbulent structures. These structures favour turbulent mixing and thus induce a better prediction of the wall heat fluxes. Moreover, the numerical simulations showed that SAS methods are more accurate than classical URANS models without increasing significantly calculation costs. SAS approaches are not able to resolve the smallest turbulent structures in relation to ZDES which provides better predictions. However, the SAS-DRSM model offers the best option among SAS methods. Finally, the investigation of the turbulent heat flux suggested that the constant turbulent Prandtl number assumption, that is characteristic of classical URANS models, may not be valid in some regions of the flow.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des prévisions aérothermiques qui suscite un intérêt croissant de la part des industriels aéronautiques. Elle consiste à évaluer l'apport des méthodes URANS avancées de type SAS dans la prévision des flux de chaleur turbulents et pariétaux pour des écoulements turbulents chauffés. Elle vise également à situer ces approches par rapport à des modèles URANS classiques de type DRSM et à des méthodes hybrides RANS/LES comme la ZDES. Nous avons dans un premier temps proposé une extension de l'approche SAS à un modèle DRSM afin d'obtenir une meilleure restitution des tensions de Reynolds résolues et modélisées. Ce nouveau modèle SAS-DRSM a été implanté dans le code Navier-Stokes elsA de l'ONERA. Nous avons ensuite évalué l'ensemble des approches SAS disponibles avec ce code sur la prévision de deux écoulements aérothermiques rencontrés sur avion dans un compartiment de moteur. Ces études numériques ont montré que les approches SAS améliorent la représentation des écoulements par rapport aux modèles URANS classiques. Elles aboutissent à des écoulements fortement tridimensionnels présentant de nombreuses structures turbulentes. Ces structures induisent un mélange turbulent plus important et permettent alors une meilleure prévision du flux de chaleur pariétal. Par ailleurs, nos travaux ont permis de situer plus clairement les approches de type SAS comme des méthodes plus précises que les méthodes URANS classiques sans augmentation importante de mise en œuvre ou de coût de calcul. Les modèles SAS ne permettent pas de résoudre les plus petites structures caractéristiques du mouvement turbulent par rapport à la ZDES qui montre ici des prévisions supérieures. Le modèle SAS-DRSM offre néanmoins la meilleure alternative de type SAS. Enfin, l'étude du flux de chaleur turbulent semble retrouver le fait que l'hypothèse de nombre de Prandtl turbulent constant classique des modèles URANS n'est pas valable dans toutes les zones de l'écoulement.