Modelling of turbulent rotating flows with heat transfer using the zonal hybrid RANS/LES approach
Modélisation des écoulements turbulents en rotation et en présence de transferts thermiques par approche hybride RANS/LES zonale
Résumé
The numerical simulation of turbulent flows in cooling system of hydrau- lic pumps sealing requires considering large computational domains and long integration times. The zonal hybrid RANS/LES modelling of turbulence could deal with such appli- cations, in order to reproduce the whole thermal and dynamical phenomena of the flow, with a computational cost compatible with industrial studies. This approach aims at pro- perly interfacing a Large Eddy Simulation (LES), which provides an accurate unsteady description of turbulence in some critical regions of the flow, with the statistical RANS approach, less demanding in computational resources, applied in the whole remaining fluid domain in order to take into account the imposed global variations of the flow (cool water injection in hot water, shaft and rotor rotation, ...). To this end, a detailed study of tur- bulence models appropriate for rotating flows is presented, following both the RANS and the LES approaches. Numerous turbulence models are compared in the rotating channel flow test case. The zonal coupling at boundary faces using the Synthetic Eddy Method (SEM) is studied and an innovative volumic coupling using a source term on overlapping RANS/LES area, the Anisotropic Linear Forcing, is proposed. For the first time, these two coupling methods are extended to heat transfer. The present zonal hybrid RANS/LES computations of static or rotating channel flows in isothermal or forced convection regimes, show the applicability of such modelling for industrial studies.
La simulation numérique d'écoulements turbulents dans les systèmes de refroi- dissement de joints de pompes hydrauliques demande à considérer des domaines de calcul très étendus et des temps d'intégration très longs. La modélisation hybride RANS/LES zo- nale pourrait permettre de reproduire, dans un temps de calcul acceptable industriellement, l'ensemble des phénomènes thermiques et dynamiques en présence. L'approche consiste à faire interagir une simulation des grandes échelles (LES), représentant finement les phé- nomènes instationnaires de la turbulence dans certaines régions critiques de l'écoulement, avec l'approche statistique (RANS), moins coûteuse numériquement et dont la mise en oeuvre dans le reste du domaine permet de rendre compte des variations globales imposées à l'écoulement (injection d'eau froide dans de l'eau chaude, rotation de l'arbre et de la roue, etc...). Dans cette optique, une étude détaillée des modélisations adaptées aux écoulements en rotation est réalisée, suivant les deux approches RANS et LES. De nombreux modèles de turbulence sont comparés sur un cas test de canal en rotation. Le couplage zonal aux faces de bord par la méthode des structures turbulentes synthétiques (SEM) est étudié et une méthode innovante de couplage volumique par force de rappel (Forçage Linéaire Ani- sotrope) sur une zone de recouvrement RANS/LES est proposée. Ces deux méthodes sont étendues pour la première fois à la thermique. Les simulations hybrides RANS/LES zonales présentées, sur des cas test de canal fixe, en rotation ou en convection forcée, montrent la faisabilité de telles modélisations pour des applications industrielles.
