Lattice Boltzmann Methods on non-uniform meshes for automotive aeroacoustics
Développement de méthodes de Boltzmann sur réseau en maillages non-uniformes pour l’aéroacoustique automobile
Résumé
L’objectif de ce travail est d’étudier les capacités de la méthode de Boltzmann
sur réseau (LBM) dans un cadre numériquement contraignant : celui de la simulation
aéroacoustique en maillage non-uniforme, à très haut nombre de Reynolds et à nombre
de Mach non négligeable (Ma > 0.1), appliquée à l’automobile. La problématique
industrielle est celle du calcul du bruit intérieur d’origine aérodynamique, dont le
calcul du champ de pression pariétal instationnaire sur le vitrage conducteur est la
première étape décisive. Il a été constaté qu’un manque de précision sur la faible part
acoustique du champ de pression total sur le vitrage, provenant très probablement
d’erreurs au niveau des transitions de résolution du maillage, était la cause d’une
surestimation du bruit intérieur.
Nous présentons d’abord une contruction cohérente et unifiée de la méthode de
Boltzmann sur réseau à partir de l’équation de Boltzmann, dans un cadre athermal
faiblement compressible. Nous insistons particulièrement sur la cohérence des adimensionnements
ainsi que sur la question de la limite hydrodynamique de l’équation de
Boltzman sur réseau.
Nous étudions ensuite en détail les propriétés aéroacoustiques de la LBM, en parcourant
toutes les grandes familles d’opérateurs de collision de la littérature. Une
variante de modèle à temps de relaxation multiples, utilisable pour l’aéroacoustique,
est présentée et testée. Les modèles basés sur un filtrage sélectif de l’équation de Boltzmann
sur réseau sont aussi étudiés. Un modèle alternatif simplifié de filtrage sélectif,
rapide et compact, est développé et validé numériquement. Une étude préliminaire est
également menée pour utiliser l’hyperviscosité introduite par ce dernier dans le cadre
de calculs LES (Large Eddy Simulation), avec des résultats prometteurs.
La problématique des maillages non-uniformes est abordée. Un recensement exhaustif
des études LBM menées dans ce cadre dans la littérature montre qu’aucune
ne correspond à nos contraintes. Un algorithme alternatif est développé pour traiter
les problèmes observés aux transitions de résolution. Nous apportons également des
modifications à un algorithme plus classique, validées numériquement.
Enfin, des applications industrielles sont réalisées à l’aide des modèles développés
dans le mémoire, en particulier sur un véhicule complet. Le potentiel impact positif
sur la qualité du champ aéroacoustique en maillage non-uniforme de la stratégie LES
basée sur l’hyperviscosité du filtrage sélectif est discuté.
The main goal of this work is to study the capacities of the Lattice Boltzmann
Method in a constrained numerical framework : that of numerical simulation in automotive
aeroacoustics with non-uniform meshes, at high Reynolds number and non
negligible Mach number (Ma > 0.1). The industrial problem is the computation of the
interior aerodynamic noise, which includes as its first decisive step the computation
of the unsteady wall pressure field on the car windows. It was observed that a lack
of precision on the weak acoustic part of the total pressure field on the driver-side
window, which is most probably due to errors at mesh refinement interfaces, caused
an overestimation of the interior noise.
We first present a coherent and unified construction of the Lattice Boltzmann
Method from the Boltzmann equation, in an athermal weakly compressible framework.
We particularly insist on the coherence of the non-dimensionalization process, as well
as on the question of the hydrodynamic limit of the Lattice Boltzmann Equation.
Then, we study in details the aeroacoustic properties of the LBM by reviewing
all the main families of collisional operators that exist in the literature. A variant of
multiple relaxation time operator that can be used for aeroacoustics is presented and
tested. Lattice Boltzmann Equations with selective viscosity filters are also studied. A
simplified alternative selective filter, fast and compact, is developped and numerically
validated. A preliminary study is also carried out so as to use the hyperviscosity
stemming from the filtrering process for LES (Large Eddy Simulation) computations,
showing promising results.
The problem of non-uniform meshes is discussed. An exhaustive review of the
LBM studies that have been carried out within that framework shows that none of
them corresponds to our constraints. An alternative algorithm is developed in order to
try and treat these transition interface issues. We also make modifications to a more
standard algorithm, which are numerically validated.
Finally, all the developed models of this work are applied to industrial cases,
notably on a Renault vehicle. The potentially positive impact on the quality of the
aeroacoustic field with non-uniform meshes of our hyperviscosity-based LES strategy
is discussed.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Loading...