Simulation numérique directe et analyse des grandes échelles d'une couche limite turbulente

Direct numerical simulation and large scale analysis of a turbulent boundary layer

• Auteur / Autrice : Ilkay Solak
• Direction : Jean-Philippe Laval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 18/07/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations de Navier-Stokes -- Solutions numériques

Couche limite turbulente

Simulation par ordinateur

Turbulence

Mots clés libres

Structures cohérentes turbulentes

Simulation numérique directe

Résumé

Cette étude est à l’intersection de deux problématiques que sont (i) la description des structures cohérentes d’une couche limite turbulente et (ii) les méthodes numériques adaptées pour le calcul haute performance de ces écoulements. Les principaux objectifs sont de caractériser les grandes structures de la turbulence et de développer de nouveaux outils numériques pour la simulation de couches limites turbulentes. Une nouvelle simulation numérique directe de couche limite turbulente de plaque plane est réalisée avec le code Incompact3d. Une relation entre les structures cohérentes attachées à la paroi et le spectre d'énergie dans une couche limite turbulente est établie et comparée à une étude antérieure basée sur des résultats expérimentaux. Une application particulière de la méthode de squelettisation est proposée pour établir des statistiques plus précises des structures cohérentes de la turbulence. Les statistiques des structures grandes échelles de vitesse longitudinale (LSM) et les différents composantes des tensions de Reynolds turbulent instantanées (quadrants) sont comparées. Dans un second temps, un nouveau module de tests est implémenté dans le solveur Navier-Stokes incompressible développé en interne. La performance de ce nouveau code est analysée. Les problèmes de stabilité à nombre de Reynolds élevé sont abordés et certaines solutions sont proposées.

This work lies at the intersection of two problems concerning turbulence (i) the description of coherent structures of turbulent boundary layer flow and (ii) the numerical methods for high-performance computing of these flows. The main objectives are to analyze coherent structures and to develop new numerical tools to be used in turbulence research with a special focus on the turbulent boundary layers. A new direct numerical simulation of a turbulent boundary layer flow over a flat plate is conducted with the code Incompact3d. A relationship between attached flow structures and the streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer has been established similarly to an earlier experimental study. A novel application of the skeletonization method is proposed to obtain detailed statistics of coherent structures. Statistics of large-scale motions (LSM) and Reynolds Shear Stress quadrant structures are compared. In the second part, a new test-suite is implemented to the in-house incompressible Navier-Stokes solver. Performance of the code is analyzed. The stability problems at high Reynolds numbers are addressed and some solutions are proposed.