Transferts thermiques des écoulements turbulents compressibles en conduites : étude par simulation numérique des grandes échelles

Heat transfers of the compressible turbulent flows in ducts : a large-eddy simulation study

• Auteur / Autrice : Jérôme Hébrard
• Direction : Olivier Métais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et transferts
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Dans de nombreux dispositifs industriels comme les conduites de refroidissement des moteurs de fusées, un écoulement turbulent est en contact avec une paroi solide chaude. L'instabilité due aux courbures ajoutée au confinement créent des courants orthogonaux au flux principal d'une intensité pouvant aller jusqu'à 20% de celui-ci. Pour comprendre les interactions entre ces courants secondaires et les transferts thermiques, des résultats de simulations numériques des grandes échelles sont obtenus dans des conduites pouvant présenter des courbures et des parois chauffées. Un écoulement pleinement développé est injecté à l'entrée du domaine par la simulation synchrone d'une conduite périodique. Un modèle de viscosité turbulente a été implanté dans le code de calcul et aucune loi de paroi n'est utilisée. Une température supérieure est d'abord appliquée sur une des quatre parois d'une conduite carrée rectiligne pour une validation du code de calcul. Les mécanismes d'éjections de fluide chaud de la paroi chauffée vers le coeur de la conduite sont bien représentés et on peut observer le développement progressif de la couche limite thermique. L'évolution spatiale de l'écoulement a ensuite permis d'appliquer un flux constant. Une conduite de section rectangulaire en forme de S a ensuite été simulée. A chaque courbure, apparaît un fort flux secondaire inhérent au gradient de pression normal aux parois courbes. Ceci implique la naissance d'une paire de tourbillons longitudinaux contra-rotatifs de type ''Dean'' ou ''Ekman'' évoluant au voisinage de la paroi convexe. L'interaction entre ces courants secondaires et le mélange turbulent est étudiée suivant les modes de chauffage.

This work involves the numerical study of turbulent flow in ducts of square or rectangular cross sections. The fully developed turbulent field at the entry of our computational domain, the inlet conditions for a spatially growing duct flow are provided, at each time step, by a periodic isothermal duct which is concurrently computed. Different types of heating have been applied to one of the four walls. More complex geometries have been studied like a S-shape duct, with and without heating applied to the concave/convex wall. An eddy viscosity model without any wall law was used. The first step was to simulate a heating straight square duct with a constant temperature applied to a wall and to compare the resultswith an infinite-length duct (periodic conditions). The spatial configuration allows one to apply a more realistic heating process consisting of a constant heat flux, and the spatially growing of the thermal boundary layer was then studied. The second step was to simulate a duct with two consecutive curvatures and to make a validation with an experimental database. The observation of the so-called Dean vortices has been made. Both type of heating was then applied to a curved wall to understand the interactions between secondary flows and turbulent mixing process.