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1 Introduction de méthodes avancées de type RANS- LES en aérodynamique appliquée: application aux décollements minces Romain LARAUFIE Doctorant 3 ème année.

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1 1 Introduction de méthodes avancées de type RANS- LES en aérodynamique appliquée: application aux décollements minces Romain LARAUFIE Doctorant 3 ème année Département/Unité DAAP/MHL Directeurs de thèse: Sébastien DECK Pierre SAGAUT Bourse: ONERA

2 2 Plan Introduction au problème Contexte La ZDES Conclusions et perspectives Publications et modules de formation Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale Développement dune méthode de forçage dynamique Validation / Optimisation / Généralisation sur un cas académique Introduction en aérodynamique appliquée

3 3 Plan Introduction au problème Contexte La ZDES Conclusions et perspectives Publications et modules de formation Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale Développement dune méthode de forçage dynamique Validation / Optimisation / Généralisation sur un cas académique Introduction en aérodynamique appliquée

4 4 Contexte RANS/URANS massivement utilisées pour la conception (optimisation, incertitudes) et pour le couplage multidisciplinaire (mécanique du vol, optique,…) Lorsque le champ turbulent 3D instantané est requis… ONERA/DAFE Fiabilité des prévisions de performances Sécurité et Environnement (acoustique) Optimisation temps / coûts de conception Implications conséquentes Taux de modélisation Compromis Physique / coût CPU.

5 5 Contexte 5 Résolution WMLES locale Au sein dun calcul essentiellement RANS Une LES complète ou même une WMLES dune application industrielle à haut nombre de Reynolds est impossible sous les limites CPUs actuelles Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES): 1.S. Deck, Recent improvements in the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES) formulation. Theor.and. Comput. Fluid Dyn. DOI: /s z 2.U. Piomelli and E. Balaras, Wall-Layer Models for Large-Eddy Simulation. Annu. Rev. Fluid Mech., 2002, 34, p Nombre de points pour résoudre une couche limite [2]. Limiter la résolution de la turbulence aux régions dintérêts

6 6 La ZDES [1] 6 Mode 1: Séparation fixée par la géométrie. Mode 2: Séparation induite par un gradient de pression adverse sur une surface courbe. Point de décollement à priori inconnu. Mode 3: Séparation fortement influencée par la dynamique de la couche limite. 1.S. Deck, Recent improvements in the zonal detached eddy simulation (zdes) formulation. Theor.and. Comput. Fluid Dyn. DOI: /s z 2.S. Deck etal, Zonal detached eddy simulation of a spatially developing flat plate turbulent boundary layer, Computer & Fluids 48, 1-15, (2011) Courtesy of P.-E. Weiss DAAP/MHL Courtesy of S. Deck DAAP/MHL ZDES mode II ZDES mode I

7 La ZDES [1] 7 1.N. Jarrin etal, Reconstruction of turbulent fluctuations for hybrid rans/les simulations using a synthetic-eddy method. Int. J. of Heat and Fluid Flow. 30(3), (2009) 2.M. Pamiès etal, Generation of synthetic turbulent inflow data for large eddy simulation of spatially evolving wall-bounded flows. Physics of Fluids. 21(4), (2009) 3.S. Deck etal, Zonal detached eddy simulation of a spatially developing flat plate turbulent boundary layer, Computer & Fluids 48, 1-15, (2011) ZDES mode III + Synthetic Eddy Method (SEM) [3]: Agit comme un modèle de sous maille pour une résolution LES ( x=50 +, z=12 + ) Erreur sur le frottement ne varie pas de façon monotone avec la résolution Distance de transition excessive si diminution de la résolution (jusquà 80 0 ) y zx

8 8 Plan Introduction au problème Contexte La ZDES Conclusions et perspectives Publications et modules de formation Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale Développement dune méthode de forçage dynamique Validation / Optimisation / Généralisation sur un cas académique Introduction en aérodynamique appliquée

9 Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale 9 WMLES (ZDES mode III) S E M[ 2] Dynamic Forcing method [3] Hauteur de transition définit par lutilisateur Schéma de principe DESDES RANSRANS RANS (ZDES mode 0) 3. R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) 1. N. Jarrin etal, Reconstruction of turbulent fluctuations for hybrid rans/les simulations using a synthetic-eddy method. Int. J. of Heat and Fluid Flow. 30(3), (2009) 2. M. Pamiès etal, Generation of synthetic turbulent inflow data for large eddy simulation of spatially evolving wall-bounded flows. Physics of Fluids. 21(4), (2009) zx y

10 Développement dune méthode de forçage dynamique 10 Idée: Doper lénergie cinétique turbulente résolue aux travers de termes sources Action: Ajout de force de volumes aux équations du moment cinétique pour doper les fluctuations de vitesses normales à la paroi But: Réduire la distance de transition y zx 1.A. Spille-Kohoff and H.-J. Kaltenbach, Generation of turbulent inflow data with a prescribed shear-stress profile, in DNS/LES Progress and Challenges, edited by C. Liu, L. Sakell, and T. Beutner (Third AFOSR International Conference, Arlington, Texas, 2001) pp R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011)

11 Validation sur un cas académique 11 Cas test: Couche limite en développement spatial sans gradient de pression sur une plaque plane Domaine de calcul: L x = 62 0, L y = 10 0, L z = 4 0 Conditions infinie amont: U = 70 m.s -1, P = Pa, T = 287K Maillage: N x = 396, N y = 81, N z = 61 x = / y wall = 1 + z = 50 + / Entrée: = 3,8 mm, Re =750, Re =1750 Intégration en temps: Schéma de Gear (2 ème ordre) Intégration en espace: Schéma modifié AUSM+(P) (2 ème ordre) Hauteur de Transition = FLU3M: Solveur Navier-Stokes compressible, multi blocs, structuré, curviligne Re = 4, m -1

12 12 Originale Vs. Nouvelle Formulation [1] 1.R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) Validation sur un cas académique SEM SEM + SK SEM + NEW Réactivation de la turbulence bien plus rapide avec la nouvelle formulation zx y

13 Optimisation sur un cas académique 13 Réajustement de lépaisseur de quantité de mouvement (témoin du décalage de lorigine virtuelle de la couche limite) Réduction de la zone de transition de ~65% zx y

14 Optimisation sur un cas académique 14 Région de proche paroi RANS est perméable aux fluctuations WMLES Excellent accord entre les deux calculs WMLES avec et sans forçage dynamique ( et ) zx y

15 Généralisation sur un cas académique 15 Synthetic Eddy Method Condition dentrée turbulente performante Limitée à une condition dentrée Bruit Blanc (séries aléatoires) [1]: Bien plus compliquée à utiliser/paramétrer que la méthode de forçage dynamique Introduction aisée au sein dun écoulement Très simple à implémenter dans un code de calcul 1.R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A rapid switch from RANS to WMLES for spatially developing boundary layers, 4th Symposium on Hybrid RANS-LES Methods, sept 2011, Beijing, China. Information monodirectionnelle Champ moyen fixé

16 Généralisation sur un cas académique 16 Bruit Blanc Série aléatoire uniforme rnd(t): zx y x2) 1.R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A rapid switch from RANS to WMLES for spatially developing boundary layers, 4th Symposium on Hybrid RANS-LES Methods, sept 2011, Beijing, China.

17 Généralisation sur un cas académique 17 WN + DF SEM + DF SEM

18 Introduction en aérodynamique appliquée 18 Cas S19 [1]: Manche à air coudée de section rectangulaire U = 30 m.s -1 Re H = 4, Domaine de calcul: ~ de cellules ZDES (mode 0) ZDES (mode III) Hauteur de transition : 2,6mm ~ 0,1 (x=0) Bruit Blanc Forçage Dynamique P = Pa Re (x=0) = x=0) ~ 26 mm 1.B. Gardarin, L. Jacquin, P. Geoffroy, Flow Separation Control With Vortex Generators. 4 th Flow Control Conference, June 2008, Seattle, Washington (AIAA )

19 19 Plan Introduction au problème Contexte La ZDES Conclusions et perspectives Publications et modules de formation Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale Développement dune méthode de forçage dynamique Validation / Optimisation / Généralisation sur un cas académique Introduction en aérodynamique appliquée

20 Conclusions et perspectives 20 À ce jour: Développement dune stratégie pour le calcul ZDES (mode III) de la turbulence pariétale, localement au sein dun calcul RANS. Validation, Optimisation et Généralisation de la méthode sur un cas académique à nombre de Reynolds modéré (Re O(10 3 )). Suite des travaux: Publication dans « Journal of Computational Physics » Présentation à la conférence « HRLM4 Beijing » Extension à Haut nombre de Reynolds (Re O(10 4 )) (analyse en cours) Application sur une configuration 3D complexe (S19) (calcul en cours) Rédaction dun article sur lapplication de la ZDES en turbulence pariétale à haut nombre de Reynolds Rédaction du manuscrit de thèse (soutenance Sept. 2012)

21 21 Plan Introduction au problème Contexte La ZDES Conclusions et perspectives Publications et modules de formation Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale Développement dune méthode de forçage dynamique Validation / Optimisation / Généralisation sur un cas académique Introduction en aérodynamique appliquée

22 Publications et modules de formation 22 Modules de formation: Communications Scientifiques: Base de la Simulation Numérique des écoulements compressibles (A. Lerat, ENSAM Paris), 2010 Mécanique des Fluides: Simulation des écoulements (Collège de Polytechnique), 2010 Vérification des simulations numériques en mécanique des milieux continus (Formation interne), 2010 R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011). R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A rapid switch from RANS to WMLES for spatially developing boundary layers. 4th Symposium on Hybrid RANS-LES Methods, sept 2011, Beijing, China. Rédaction dun mémoire de thèse (Formation interne), 2011 MPI (Formation interne), 2011 R. Laraufie, ZDES for Applied Aerodynamics at ONERA. 3 rd DLR-ONERA Young Researchers Network Meeting, Oct Article à comité de lecture: Congrès:

23 23 Merci de votre attention

24 Dynamic Forcing method 24 Idea: Resolved turbulent kinetic energy enhancing through production term. Constatation: Assuming the boundary layer hypothesis u: streamwise v: wall normal w: spanwise Action: Adding body forces to the momentum equations in order to enhance the wall normal fluctuating velocity & Purpose: Transition distance shortening y zx

25 Dynamic Forcing method 25 y zx I controlerP A. Spille-Kohoff and H.-J. Kaltenbach, Generation of turbulent inflow data with a prescribed shear-stress profile, in DNS/LES Progress and Challenges, edited by C. Liu, L. Sakell, and T. Beutner (Third AFOSR International Conference, Arlington, Texas, 2001) pp Forcing event selection: Unrealistic events prevention: and Forcing term definition:

26 Dynamic Forcing method 26 y zx I controlerP Forcing event selection: Unrealistic events prevention: and Forcing term definition:

27 Dynamic Forcing method 27 y zx I controlerP R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) Forcing event selection: Unrealistic events prevention: and Forcing term definition:

28 Dynamic Forcing method 28 y zx I controlerP R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) Forcing event selection: Unrealistic events prevention: and Forcing term definition:

29 Dynamic Forcing method 29 y zx R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) Forcing event selection: Unrealistic events prevention: and Dynamic Forcing Forcing term definition:

30 Dynamic Forcing method 30 Wall normal shear stress modeling [1]: Time averaging process [2]: 1.R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011) 2.A. Keating, G.D. Prisco, U. Piomelli, Interface conditions for hybrid rans/les calculations, International Journal of Heat and Fluid Flow 27, (2006), with: y zx

31 Capability demonstration 31 Power spectral density of the stream-wise velocity Span-wise two-point autocorrelations Excellent accordance between WMLES results with and without dynamic forcing No mark of spurious frequencies


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