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1 Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires ALFEREZ Nicolas – année 2 Bourse : ONERA/DGA Directeur de thèse : Pr. Eric Lamballais.

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1 1 Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires ALFEREZ Nicolas – année 2 Bourse : ONERA/DGA Directeur de thèse : Pr. Eric Lamballais (Pr. P. comte) (Institut Pprime, Poitiers) Encadrant ONERA : Ivan Mary, DSNA/ CS2A

2 Plan 1.Contexte et motivations 2.Objectifs et description de lapproche 3.Premiers résultats 4.Conclusion et suite des travaux

3 Contexte : origine physique Le décrochage de profils dailes ONERA, H.Werlé Dorigine visqueuse, le décrochage provient du décollement massif de la couche limite à lextrados du profil. Ce décollement conduit à des performances aérodynamiques médiocres. Conséquence pour lindustriel : La limite de décrochage constitue bien souvent une borne supérieure du domaine de vol des aéronefs.

4 Contexte : généralités sur le décrochage Trois différents types de décrochage à vitesse modérées ( McCullough & Gault, 1951) : De type bord de fuite - profils épais (e/c >15% ) De type bord dattaque - profils dépaisseurs modérées (9% < e/c < 15%) De type profils minces

5 Contexte : décrochage dynamique Facteur limitant lenveloppe de vol de lhélicoptère Vol davancement à grande vitesse Faible vitesse et forte incidence en pale reculante Décrochage dynamique Contraintes vibratoires importantes Instabilités aéro-élastiques Décrochage dynamique : décrochage dune surface portante lors dune variation dincidence (oscillation de tangage, pilonnement…). Il se traduit par une variation importante des coefficients aérodynamiques. Hélicoptère en vol davancement :Incidence sur le disque rotor Vo

6 La simulation numérique des écoulements 1.Lapproche directe : DNS (K c >K kolmogorov ) Simulation de toutes les échelles, jusquaux échelles dissipatives 2.Simulation des grandes échelles : LES (K énergétique

7 Contexte : échec de la simulation RANS Les méthodes RANS actuelles ne permettent pas de simuler convenablement le décrochage (statique ou dynamique) Décrochage dynamique Décrochage statique

8 Description phénoménologique du décrochage Décollement laminaire Transition Recollement turbulent Couche limite turbulente hors équilibre : Fort gradient de pression adverse Transition par bulbe : Modélisation RANS non adaptée Dimensions caractéristiques faibles pour les expérimentateurs

9 Etudes récentes du décrochage à lONERA Etude numérique haute résolution dun profil OA209 à lincidence de décrochage (I.Mary,V.Gleize) Décrochage statique Reynolds = processeurs 3 mois de calcul pour atteindre régime permanent Sur le décrochage dynamique : Coopération ONERA/DLR (PRF SIMCOS) Base de donnée expérimentale autour du profil OA209 Etude numériques à base de RANS, ZDES dailes OA209 en situation de décrochage dynamique Rôle prépondérant du bulbe de décollement laminaire

10 Objectif : Comprendre les phénomènes physiques responsables du développement et de léjection du bulbe de décollement laminaire de bord dattaque. Analyse statistique du décrochage de bord dattaque Montée en incidence progressive Itération sur t n Simulation QDNS de la montée en incidence depuis α c – ε jusquà α c + ε Nécessité de réduire au maximum lintervalle [α c – ε, α c + ε ] pour limiter les effets dynamiques Répéter lopération à partir de différents instants initiaux t n pour construire une base de donnée pertinente en vue dune étude statistique - caractériser la dynamique tourbillonnaire de bord dattaque lors du décrochage CLCL

11 Configuration Choix du profil : Naca-0012 Expériences OA209 à trop haut Reynolds (~10 6 ) Littérature abondante (expérience de Lee & Gerontakos, JFM 2004 à Reynolds ) Dynamique de décrochage similaire au profil OA209 Re c = 10 5 Coûts abordables Dynamique tourbillonnaire de bord dattaque similaire au cas à Re=10 6 (simulation de I.Mary,V.Gleize) M =0,16 (compromis pour minimiser effet de compressibilité et temps de calcul) Envergure domaine de calcul: 1 corde Nombre de points pour QDNS: 160 millions Pas de temps : 0,15 μs Intégration temporelle implicite (9 sous-itérations de Newton) run de 11h sur 480 cœurs westmere = 5 temps dadvection (t u /c) 3 runs nécessaires pour une expérience de montée en incidence

12 Méthode numérique : solveur FUNk Solveur structuré Multibloc Equations de Navier-Stokes compressible Volumes finis 2 ème ordre -Schéma hybride centré/décentré (AUSM+P) basé sur un senseur dirrégularitée -Schéma visqueux sur 3 points (1D) Intégration temporelle - Implicite du 2 nd ordre (Gear + Newton +LU-SGS) Pas de modèles sous maille employés Outil Cassiopee de pre-processing de lONERA - Découpage de maillage et équilibrage - Interface avec le logiciel de maillage (ICEM) Codage dune méthode ALE pour maillages indéformables ( Thèse de G. Thierry )

13 Optimisation du maillage pour améliorer isotropie des cellules Maillage non conforme dans la direction de lenvergure: - Nz est bloc dépendant -Nz = 900 -Nz = 300 -Nz =150

14 Résultats : résolution pariétale dans la direction de lécoulement 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage

15 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage Résultats : résolution pariétale dans la direction normale à la paroi

16 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage Résultats : résolution pariétale dans la direction transverse

17 Evaluation de la résolution du maillage par rapport aux échelles dissipatives rapport entre la longueur de maille et léchelle dissipative de Kolmogorov Direction: X y z 9.8 deg 11.8 deg

18 Evaluation du frottement à la paroi Bulbe de décollement laminaire au bord dattaque L b =14% corde Turbulent sur 80 % corde bulbe

19 Coefficients de pression Effondrement du Cp à 11.8°, portance faible => décrochage

20 Evolution comparable au calcul OA209 Re = dans la zone aval du bulbe Evaluation de Rtheta

21 Premières observations de la dynamique de bord dattaque Profil porté à 11,8°dincidence depuis 9,8°, calcul effectué sur 15% corde

22 Conclusion et suite des travaux Avancées : Reproduction de la dynamique instationnaire dans un cas de décrochage de bord dattaque sur un profil Naca-0012 Encadrement de langle critique de décrochage statique Dynamique satisfaisante, comparable aux observations plus haut Reynolds Suite des travaux Resserrer lintervalle [α c -ε, α c +ε] (en cours) Etude statistique systématique Moyenne de phase Analyse Dynamic Model Decomposition (P.Schmid), collaboration avec DAFE

23 Etape de mise en mouvement du maillage Formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) dans le cas particulier dun maillage ne se déformant pas (daprès la thèse de Guillaume Thierry) Domaine de contrôle animé dune vitesse arbitraire Vecteur des variables conservatives

24 24 Laminar bubble transition DNS on a flat plate Satisfying convergence in the transitional and turbulent regions. 24 Grid convergence Million points Nx Ny Nz Length 276 S = 11.5 L B Height 5 21 S ; h(x) > 2 (x) Spanwise 12 S = 0.5 L B Million points x (bubble area) + y (bubble area) + z (bubble area) x (downstream) + y (downstream) + z (downstream) C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal, RANS Modeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database. AIAA th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois

25 25 Validation : turbulent boundary layer Turbulent region : Validation by comparison of the kinetic energy budgets with Spalarts DNS Good agreement with Spalarts profiles is reached at (XXR)/(XRXS) = 2 25 Laminar bubble transition DNS on a flat plate C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal, RANS Modeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database. AIAA th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois

26 26 elsA-FUNk efficiency comparison: scalability Number of Core CPU /subiteration/ cells (μs) elsA FUNk fGflopselsA FUNk CPU elsA / CPU FUNk High fidelity flow simulation Constant number if perfect scalability


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