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Département/Unité DAAP/MHL

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Présentation au sujet: "Département/Unité DAAP/MHL"— Transcription de la présentation:

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

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

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

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 Implications conséquentes Fiabilité des prévisions de performances Sécurité et Environnement (acoustique) Optimisation temps / coûts de conception Taux de modélisation ≡ Compromis Physique / coût CPU.

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

6 La ZDES [1] Mode 1: Séparation fixée par la géométrie.
ZDES mode I Courtesy of P.-E. Weiss DAAP/MHL Mode 1: Séparation fixée par la géométrie. ZDES mode II 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. Courtesy of S. Deck DAAP/MHL S. Deck, “Recent improvements in the zonal detached eddy simulation (zdes) formulation.” Theor.and. Comput. Fluid Dyn. DOI: /s z S. Deck etal, “Zonal detached eddy simulation of a spatially developing flat plate turbulent boundary layer, Computer & Fluids 48, 1-15, (2011) 6

7 La ZDES [1] ZDES mode III + Synthetic Eddy Method (SEM) [3]:
x ZDES mode III + Synthetic Eddy Method (SEM) [3]: Agit comme un modèle de sous maille pour une résolution LES (Dx=50+, Dz=12+) Erreur sur le frottement ne varie pas de façon monotone avec la résolution Distance de transition excessive si diminution de la résolution (jusqu’à 80 d0) 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) 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) S. Deck etal, “Zonal detached eddy simulation of a spatially developing flat plate turbulent boundary layer, Computer & Fluids 48, 1-15, (2011)

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

9 Adaptation de la ZDES pour la turbulence pariétale
y z x Schéma de principe Dynamic Forcing method [3] S E M[2] WMLES (ZDES mode III) DES RANS (ZDES mode 0) Hauteur de transition définit par l’utilisateur RANS 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. R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, “A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions”. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011)

10 Développement d’une méthode de forçage dynamique
z x But: Réduire la distance de transition Idée: Doper l’énergie 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 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
Cas test: Couche limite en développement spatial sans gradient de pression sur une plaque plane Conditions infinie amont: U∞ = 70 m.s-1, P∞ = Pa, T∞= 287K Re = 4, m-1 Entrée: d0 = 3,8 mm, Ret=750, Req=1750 Domaine de calcul: Lx = 62d0, Ly = 10d0, Lz = 4d0 Maillage: Nx = 396, Ny = 81, Nz = 61 Dx = 100+ / 0.147d0 Dywall = 1+ Dz = 50+ / 0.064d0 Hauteur de Transition = 100+ FLU3M: Solveur Navier-Stokes compressible, multi blocs, structuré, curviligne Intégration en temps: Schéma de Gear (2ème ordre) Intégration en espace: Schéma modifié AUSM+(P) (2ème ordre)

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

13 Optimisation sur un cas académique
y z x Réajustement de l’épaisseur de quantité de mouvement (témoin du décalage de l’origine virtuelle de la couche limite) Réduction de la zone de transition de ~65%

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

15 Généralisation sur un cas académique
Synthetic Eddy Method Condition d’entrée turbulente performante Bien plus compliquée à utiliser/paramétrer que la méthode de forçage dynamique Limitée à une condition d’entrée Information monodirectionnelle Champ moyen fixé Bruit Blanc (séries aléatoires) [1]: Très simple à implémenter dans un code de calcul Introduction aisée au sein d’un écoulement 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.

16 Généralisation sur un cas académique
y z x (ax2) Bruit Blanc Série aléatoire uniforme rnd(t): 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
SEM SEM + DF WN + DF

18 Introduction en aérodynamique appliquée
Cas S19 [1]: Manche à air coudée de section rectangulaire U∞ = 30 m.s-1 Ret (x=0) = 2 200 Forçage Dynamique P∞ = Pa d(x=0) ~ 26 mm Bruit Blanc ReH = 4,5.105 Domaine de calcul: ~ de cellules ZDES (mode 0) ZDES (mode III) Hauteur de transition : 2,6mm ~ 0,1d(x=0) B. Gardarin, L. Jacquin, P. Geoffroy, “Flow Separation Control With Vortex Generators”. 4th Flow Control Conference, June 2008, Seattle, Washington (AIAA )

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

20 Conclusions et perspectives
À ce jour: Développement d’une stratégie pour le calcul ZDES (mode III) de la turbulence pariétale, localement au sein d’un calcul RANS. Validation, Optimisation et Généralisation de la méthode sur un cas académique à nombre de Reynolds modéré (Req O(103)). Publication dans « Journal of Computational Physics » Présentation à la conférence « HRLM4 Beijing » Extension à Haut nombre de Reynolds (Req O(104)) (analyse en cours) Application sur une configuration 3D complexe (S19) (calcul en cours) Suite des travaux: Rédaction d’un article sur l’application de la ZDES en turbulence pariétale à haut nombre de Reynolds Rédaction du manuscrit de thèse (soutenance Sept. 2012)

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

22 Publications et modules de formation
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 Rédaction d’un mémoire de thèse (Formation interne), 2011 MPI (Formation interne), 2011 Communications Scientifiques: Article à comité de lecture: R. Laraufie, S. Deck and P. Sagaut, “A dynamic forcing method for unsteady turbulent inflow conditions”. Journal of Computational Physics, 230(23), (2011). Auteur des articles Congrès: 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. R. Laraufie, “ZDES for Applied Aerodynamics at ONERA”. 3rd DLR-ONERA Young Researchers Network Meeting, Oct. 2011

23 Merci de votre attention

24 Dynamic Forcing method
z x Purpose: Transition distance shortening 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

25 Dynamic Forcing method
z x Forcing term definition: P I controler Forcing event selection: and Unrealistic events prevention: and 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

26 Dynamic Forcing method
z x Forcing term definition: P I controler Forcing event selection: and Unrealistic events prevention: and

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

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

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

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

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


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