M. Braza, G. Harran, G. Barbut, Y. Hoarau

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1 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

2 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

3 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

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5 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= 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)

6 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

7 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.

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

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10 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

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

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

14 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)

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 Cm=0.02

16 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).

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

18 Interaction fluide-structure
Faisceau de tubes

19 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.

20 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

21 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

22 Faisceau de tubes – configuration statique
Re=20 000

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24 Configuration statique

25 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

26 Cylindre du milieu en vibration libre

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

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 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 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