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Interaction fluide structure dans un faisceau de tubes : physique et modélisation M. Braza, G. Harran, G. Barbut, Y. Hoarau Journée Thématique GDR Interaction.

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1 Interaction fluide structure dans un faisceau de tubes : physique et modélisation M. Braza, G. Harran, G. Barbut, Y. Hoarau Journée Thématique GDR Interaction Fluide-Structure, 4/12/07 EDF- Chatou

2 2 Phénomènes physiques à capter par lapproche de macrosimulation : Instabilités de basse fréquence bien distinctes par rapport à la turbulence aléatoire Flottement hydroélastique Prédiction des chargements proche-paroi: couplage dû à léchange énergétique : fluide-structure

3 3 Longitudinal vortices along the span in connexion with the von Karman ones THE IMFTs CIRCULAR CYLINDER - DESIDER EU program TEST-CASE In S1 Wind tunnel – IMFT : SIMULTANEOUS 3C-PIV and Time-resolved PIV Re=140,000 IUTAM Symposium Unsteady Separated Fmows and their Control, June 2007 and J. Fluids& Structures, in print

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5 5 Vertical velocity spectrum in a cylinder wake, Re= Experimental data from PIV (M. Braza,R. Perrin, Y. Hoarau, Journal of Fluids and Structure 2006) and LDV (Djeridi et al, JFTAC 2003) Spectrum from originals signals Spectrum from phase-averaged signals The macrosimulation approach to capture the organised coherent motion and the random turbulence

6 OES : Schematic separation of coherent/random turbulence parts in the spectral domain In the physical domain: phase average decomposition: Part (1): to be resolved Part (2): to be modelled by reconsidered statistical turbulence modelling, efficient in high-Re unsteady wall flows (Dervieux, Braza, Dussauge, Notes on Num. Fluid Mech., 1998, Vol. 65, Braza, Perrin, Hoarau, J. Fluids & Struct., 2006, Vol. 22 OES : Organised Eddy Simulation Macrosimulation

7 The phase-averaged turbulence stresses: Evaluated by tensorial eddy-viscosity concept Derived from second-order modelling Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAA J., 45, / t + / x j + / x j Temporal non-linear convection new turbulent stresses =- /dx i + ² / x j ²

8 8 Anisotropic OES modelling Considerations from the « IMFT circular cylinder » exp. study – DESIDER EU program, Perrin et al, Exp. in Fluids, 42, 2006 Re=140,000 Bourguet et al, AIAA J, 45, 2007

9 9

10 10 Anisotropic OES Modelling: Tensorial eddy-viscosity concept * Directional C i coefficient, a jk : Turbulence stress anisotropy, S ij = Strain-rate tensor, advectable directional criterion derived from DRSM Sarkar, Gatski, Speziale transport eqns, JFM 227 * Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAAJ. 45, 2007 C i = C vi /k

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12 12 Good agreement of experimental and modeled anisotropy tensor Implementation into NSMB solver – PhD R. Bourguet Anisotropic OES modelling

13 13 Comparison of the experimental and predicted phase-averaged turbulence shear-stress Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAAJ, Vol.45,N°5, 2007

14 14 Yields simplified – isotropic OES – in agreement with our previous studies derived by DRSM (Hoarau, Braza, IUTAM-02 Symposium Procs, Unsteady Separated Flows) Anisotropic OES modelling

15 15 Flow around a NACA 0021 airfoil at 60° angle of attack OES approach and two-equation modelling (isotropic version) *Use of the modified damping function (Jin & Braza, AIAA J. 1994) derived from DNS *use of the eddy-diffusion coefficient adapted by OES/DRSM C =0.02

16 16 Fig. 4c. Up: Iso-U velocity averaged field compared with the PIV data, down, phase-averaged experimental field at phase- angle 225° compared with the DES-k-omega (IMFT). PIV -3C Moyenne de phase OES/k- OES

17 17 3D structure of shear-layer instability OES approach: allows simulation of 3D shear-layer instability at high-Re Q_criterion Re=140,000

18 18 Interaction fluide-structure Faisceau de tubes

19 19 Petit Nombre de Scruton Instabilité dominée par lamortissement Implique un seule degré de liberté (SDOF). Grand nombre de Scruton Instabilité dominé par la raideur Implique deux degrés de liberté. Variation de la vitesse critique en fonction du paramètre masse- amortissement (S. J. Price, M.P. Paidoussis, J. Fluids & Struct., Vol. 22, 2006)

20 20 Modélisation linéaire des forces fluide- élastiques x y U k c kc Equation dynamique du cylindre SDOF Modèle de force fluide-élastique Connors (1970) quasi-statique Price,Païdoussis (1986) processus « amnésique » Granger Païdoussis (1996) processus à mémoire Re = 20000

21 21 Application à linteraction fluide-structure dans un faisceau de tubes Code NSMB Navier-Stokes Multiblock Consortium: EPFL, CFS Engn, KTH, ETHZ, Tech. Univ. Münich, IMFT, IMFSS, RUAG Aero Présente application Approche ALE Schémas centrés Précision au second-ordre temporel et spatial Modélisation OES – modèles à deux équations, de type k cellules

22 22 Faisceau de tubes – configuration statique Re=20 000

23 23

24 24 Configuration statique

25 25 Variation des coefficients de traînée et de portance en fonction du temps (Ur=1.18) Analyse spectrale du coefficient de la portance fréquence doscillation du cylindre fréquence du détachement tourbillonnaire Avec oscillation verticale du cylindre du milieu à la fréquence naturelle et amplitude 0.1D

26 26 Cylindre du milieu en vibration libre

27 27 III. Configuration étudiée Détail du maillage Domaine du calcul P/D= blocs cellules

28 28 Variation des coefficients de traînée et de portance en fonction du temps Analyse spectrale du coefficient de la portance entre les instants t=83.06 s et t=301.6 s. f 0.21 Hz

29 29 Conclusion Interaction fluide-structure faisceau de tubes Approche OES : Evaluation des charges pariétales - échange énergétique fluide-structure Dissociation parties organisée et interaction avec turbulence aléatoire Approche 2D ( méthode non-intrinsèque 3D ) Capacité de prédicition à plus haut Re

30 30 Perspectives Développements actuels: Prédiction faisceau de tubes avec A_OES Prédiction en 3D Analyse de linstabilité de flottement – cylindres en tandem Expérience physique avec TR-PIV/3C-PIV


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