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

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

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

Vertical velocity spectrum in a cylinder wake, Re=140 000 The macrosimulation approach to capture the organised coherent motion and the random turbulence Vertical velocity spectrum in a cylinder wake, Re=140 000 Spectrum from originals signals Spectrum from phase-averaged signals Experimental data from PIV (M. Braza,R. Perrin, Y. Hoarau, Journal of Fluids and Structure 2006) and LDV (Djeridi et al, JFTAC 2003)

OES : Organised Eddy Simulation Macrosimulation OES : Organised Eddy Simulation 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

The phase-averaged turbulence stresses: Evaluated by tensorial eddy-viscosity concept Derived from second-order modelling <Ui>/  t + <Uj>  <Ui>/  xj+  <uiuj>/  xj Temporal non-linear convection new turbulent stresses = -  <P>/dxi+   ²<Ui>/  xj² Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAA J., 45, 2007.

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

Anisotropic OES Modelling: Tensorial eddy-viscosity concept* Directional Cmi coefficient, ajk : Turbulence stress anisotropy, Sij = Strain-rate tensor, advectable directional criterion derived from DRSM Sarkar, Gatski, Speziale transport eqns, JFM 227 *Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAAJ. 45, 2007 Cmi= Cvi e/k

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

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

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

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 Cm=0.02

OES/k-w OES PIV -3C Moyenne de phase 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).

OES approach: allows simulation of 3D shear-layer instability at high-Re Q_criterion 3D structure of shear-layer instability

Interaction fluide-structure Faisceau de tubes

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

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

Application à l’interaction 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-w 41616 cellules

Faisceau de tubes – configuration statique Re=20 000

Configuration statique

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

Cylindre du milieu en vibration libre

III. Configuration étudiée Détail du maillage Domaine du calcul 144 blocs - 73728 cellules P/D=1.75

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

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

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