Création de bases de données fines par simulation directe pour les effets de la turbulence sur les transferts thermiques pariétaux

Creation of a database by Direct numerical simulation dedicated to turbulence effects on near-wall conjugate heat transfer

• Auteur / Autrice : Cédric Flageul
• Direction : Éric Lamballais, Dominique Laurence, Sofiane Benhamadouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 29/10/2015
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (1896-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Lamballais, Dominique Laurence, Sofiane Benhamadouche, Sylvain Laizet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Ducros, Eric Serre
• DOI : 10.70675/b4444502z41a8z43fbz8cf1z2b5746fa5212

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Contraintes thermiques

Thermique

Turbulence

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Simulation Numérique Directe

Turbulence

Canal plan

Transfert thermique

Conjugué

Direct Numerical Simulation

Turbulence

Channel flow

Heat transfer

Conjugate

Résumé

Cette étude porte sur le transfert thermique pariétal dans un canal plan turbulent. L'étude est théorique et numérique. Nos simulations directes (DNS) sont effectuées avec le code de calcul Incompact3d. On a porté un intérêt particulier aux grandeurs que l'on trouve dans les bilans des flux thermiques turbulents et de la variance de la température : ces données permettent de valider les modèles de type RANS. On analyse également nos simulation à l'aune de statistiques plus fines, telles que les corrélations en 2 points. On distingue 2 traitements de la thermique dans le cas du canal plan turbulent : avec ou sans prise en compte du transfert thermique conjugué (couplage thermique fluide/solide). Pour les cas avec transfert thermique conjugué, on a mis en évidence une condition de compatibilité dans l'espace spectral entre la température et le flux de chaleur à l'interface fluide-solide. En l'absence de transfert thermique conjugué, notre étude se borne aux conditions limites qui sont une combinaison linéaire à coefficients constants de la température et du flux de chaleur à la paroi (Dirichlet, Neumann, Robin). Pour ces conditions aux limites simples, on met en évidence une condition de compatibilité entre les valeurs pariétales de la variance de la température et la partie normale de la dissipation associée. D'une part, cette relation souligne les limites des simulations avec une température ou un flux imposé à la paroi. D'autre part, elle permet de construire des conditions de type Robin sur-mesure qui donnent des résultats proches de ceux obtenus avec transfert thermique conjugué pour la configuration du canal plan turbulent.

This study focuses on the turbulent heat transfer in the turbulent channel flow configuration. Our Direct Numerical Simulations are performed using the open-source code Incompact3d. As our target is to produce data for RANS models validation, the budgets of the turbulent heat fluxes and of the temperature variance are extracted. Two-point correlations for the temperature and wall-normal heat flux are also presented to deepen our analysis. Regarding the thermal field, 2 configurations are considered: with and without conjugate heat transfer (thermal coupling between the fluid and solid domains). For conjugate heat transfer cases, a novel compatiblity condition, expressed in the spectral space, connects the temperature and wall-normal heat flux at the fluid-solid interface. For non-conjugate cases, our study is limited to boundary conditions that impose a linear combination of the temperature and wall-normal heat flux at the wall using constant coefficients (Dirichlet, Neumann, Robin). For such simple boundary conditions, a novel compatibility condition is obtained which connects the wall-value of the temperature variance and the wall-normal part of the associated dissipation rate. On one hand, this condition highlights the limitations of an imposed temperature or heat-flux at the wall. On the other, it allows us to build tailored Robin boundary conditions able to reproduce satisfactorily present conjugate heat-transfer results in the channel flow configuration.