LARGE EDDY SIMULATION OF SUPERSONIC TURBULENT FLOWS

SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'ECOULEMENTS TURBULENTS SUPERSONIQUES

Samuel Dubos (1)

1 CORIA - Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie

This work, supported by CNES and SNECMA, deals with numerical simulation of supersonic turbulent flows when shock/turbulent boundary layer interaction occurs. Such flows reveal the existence of complex mechanisms, which have to be well understood for an efficient design of rocket nozzles. In this study, large eddy simulation is used to investigate unsteady mechanisms. Since a shock-capturing scheme is used, an hybrid numerical scheme has been developed to reduce its dissipative properties. The issue of the generation of coherent turbulent boundary conditions is also taken in account. A method originally developed by Lund, based on a rescaling technique, has been retained, and allows the simulation to produce its own inlet boundary conditions. It is found that computations results are in very good agreement with experimental data and DNS. Especially, oscillations of the reflected shock occurring at low frequencies are observed, in agreement with experimental investigations. Moreover, simulations reveal the presence of such frequencies inside the recirculation bubble. This point gives credit to the hypothesis which presents the instabilities of the reflected shock as a consequence of the dynamic properties of the separated zone.

Ces travaux, initiés par le CNES et la SNECMA, sont principalement consacrés à la simulation numérique d'écoulements turbulents supersoniques en présence d'interactions ondes de choc/couche limite. L'étude de ces écoulements, sièges de phénomènes complexes, se révèle être d'une importance particulière en vue du dimensionnement d'organes de propulsion de lanceurs spatiaux. Il a été choisi, dans ce travail, d'investir les aspects instationnaires au moyen de la simulation des grandes échelles turbulentes. Les contraintes liées au traitement numérique ont aboutit au développement d'un schéma numérique hybride, permettant de minimiser les effets de dissipation inhérents aux schémas dédiés à la capture de chocs. Le problème de la génération de conditions aux limites turbulentes réalistes est également abordé. Une technique due à Lund, fondée sur un principe de renormalisation et permettant à l'écoulement de générer lui-même ses conditions d'entrée, a été retenue. Les résultats des simulations se sont révélées être en très bon accord avec les mesures expérimentales ainsi qu'avec les DNS de référence. En particulier, l'existence de basses fréquences associées au mouvement du choc réfléchi a pu être constatée, en accord avec les observations expérimentales. De plus, la simulation a révélé la présence de fréquences similaires à l'intérieur du bulbe de recirculation, venant ainsi conforter l'hypothèse selon laquelle les instabilités du choc de décollement sont conditionnées par celles de la zone décollée.

Mots clés: Unsteady turbulent supersonic flows; Shock/turbulent boundary layer interaction; Large Eddy Simulation (LES); Turbulent boundary conditions; Shock-capturing schemes.

Mots clés: Ecoulements turbulents supersoniques instationnaires; interaction onde de choc/couche limite turbulente; Simulation des Grandes Echelles (SGE); Schémas à capture de chocs; Conditions aux limites turbulentes; Schémas à capture de chocs.

Domaines: Modélisation et simulation; Energie électrique; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Samuel Dubos. SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'ECOULEMENTS TURBULENTS SUPERSONIQUES. Modélisation et simulation. INSA de Rouen, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011588⟩