Simulations numériques avancées et analyses physiques de couches limites turbulentes à grand nombre de Reynolds

Advanced numerical simulations and physical analyses of turbulent boundary layers at high Reynolds number

• Auteur / Autrice : Nicolas Renard
• Direction : Pierre Sagaut, Sébastien Deck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 08/01/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Centre de Meudon
• Jury : Président / Présidente : José-Maria Fullana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Bonnet, Yann Doutreleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Bailly, Jean-Christophe Robinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reynolds, Nombre de

Couche limite turbulente

Mots clés libres

Turbulence pariétale

Couche limite turbulente à grand nombre de Reynolds

Simulation numérique

Méthode hybride RANS/LES

Frottement moyen pariétal

Vitesse de convection turbulente

High-Reynolds number turbulent boundary layers

Hybrid RANS/LES method

Numerical simulation

Résumé

Mieux comprendre les spécificités de la dynamique des couches limites à grand nombre de Reynolds malgré les contraintes métrologiques et son coût de simulation numérique est crucial. A titre d'exemple, cette dynamique peut déterminer plus de la moitié de la traînée d'un avion en croisière. Décrire la turbulence pariétale peut guider la résolution numérique d'une partie des fluctuations à un coût maîtrisé par des stratégies WMLES (simulation des grandes échelles avec modèle de paroi). Les présentes analyses physiques de couches limites turbulentes incompressibles à gradient de pression nul et à grand nombre de Reynolds s'appuient sur des simulations numériques avancées. Après validation d'une base de données, le frottement moyen pariétal est décomposé selon l'identité FIK (Fukagata et al. (2002)), dont l'application malgré le développement spatial est discutée. Une analyse spectrale montre que les grandes échelles (\lambda_x > \delta) contribuent à environ la moitié du frottement vers Re_\theta = 10^4. Les limitations de l'identité FIK motivent la dérivation d'une décomposition physique de la génération du frottement dont le comportement asymptotique est alors relié à la production d'énergie cinétique turbulente dans la zone logarithmique. Pour mieux reconstruire les spectres spatiaux, une nouvelle méthode d'estimation de la vitesse de convection turbulente en fonction de la longueur d'onde des fluctuations, adaptée au développement spatial et à des signaux temporels de durée finie, est dérivée, interprétée et évaluée à Re_\theta = 13000. Certaines des conclusions éclairent des modifications d'une stratégie WMLES, le mode III de la méthode ZDES.

Better understanding the specificities of the dynamics of high-Reynolds number boundary layers despite metrological constraints and its numerical simulation cost is crucial. For instance, this dynamics can determine more than half of the drag of a cruising aircraft. Describing wall turbulence can guide the numerical resolution of some of the fluctuations at a limited cost by WMLES strategies (wall-modelled large eddy simulation). The present physical analyses of zero-pressure gradient incompressible turbulent boundary layers at high Reynolds number rely on advanced numerical simulations. After validating a database, mean skin friction is decomposed by means of the FIK identity (Fukagata et al. (2002)), whose application despite the spatial growth is discussed. A spectral analysis shows that the large scales (\lambda_x > \delta) contribute approximately half of the friction near Re_\theta = 10^4. The limitations of the FIK identity motivate the derivation of a physical decomposition of the generation of friction whose asymptotic behaviour is then related to turbulent kinetic energy production in the logarithmic layer. In order to better reconstruct spatial spectra, a new method to estimate the turbulent convection velocity as a function of the wavelength of the fluctuations, adapted to spatial growth and to temporal signals of finite duration, is derived, interpreted, and assessed at Re_\theta = 13000. Some of the conclusions enlighten modifications to a WMLES strategy, mode III of the ZDES method.