Développement d'une approche ZDES à deux équations de transport et application turbomachines

Development of ZDES method based on two-equation turbulence and turbomachinery application

• Auteur / Autrice : Cédric Uribe
• Direction : Georges Gerolymos, Julien Marty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Éric Goncalves
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Smaïne Kouidri, Philippe Devinant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Boudet, Rémi Manceau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation des grandes échelles

Écoulement laminaire

Couche limite turbulente

Turbomachines

Mots clés libres

Simulation numérique

Approche hybride RANS/LES

Zonal detached eddy simulation

Modélisation de la turbulence

Validation

Turbomachines

Numerical simulation

Hybrid RANS/LES method

Zonal detached eddy simulation

Turbulence modelling

Validation

Turbomachinery

Résumé

Afin d’améliorer les caractéristiques d’une turbomachine, il est capital de prévoir correctement les écoulements secondaires et/ou transitionnels s’y développant. Ces écoulements peuvent être à l’origine de la réduction de ses performances et de son domaine de fonctionnement. À titre d’exemple la présence de tourbillons de jeu ou de décollements de coin sur les aubages de compresseur H.P. engendre des pertes de pression totale favorisant l’apparition d’instabilités axiales (pompage). Les multiples processus de transition laminaire-turbulent modulent la charge thermique subie par les aubes de turbine et conditionnent donc leur durée de vie. La nature généralement fortement instationnaire, décollée et transitionnelle de ces écoulements rend leur prévision délicate voire imprécise avec les modélisations de la turbulence utilisées en conception (approche RANS). En réponse à ces défis une solution est l’approche hybride RANS/LES dite ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation (Deck 2012)) dans ses modes de fonctionnement 0, 1 et 2 : les couches limites sont traitées par une approche RANS dans leur entière épaisseur afin de s’y affranchir du coût excessif d’une approche LES (résolution des grandes échelles de la turbulence) qui est seulement utilisée - si nécessaire - sur le reste du domaine de calcul pour une prévision haute fidélité des écoulements décollés, l’interface entre les deux approches étant continue. Afin que cette approche soit compatible avec la majorité des modèles de transition laminaire-turbulent, en particulier en aérodynamique interne, ces travaux en proposent diverses variantes non plus basées sur le modèle de turbulence de Spalart et Allmaras (approche ZDES SA) mais sur le modèle k − ω SST de Menter (approche ZDES SST). Au regard d’une décomposition en problématiques majeures de leurs performances, ils démontrent la similitude comportementale de ces deux approches sur des cas d’écoulement génériques (couche de mélange, marche descendante, barreau cylindrique) peu exigeants vis-à-vis de leur modèle de turbulence sous-jacent au sein des régions RANS. Ils démontrent également l’avantage de la ZDES SST sur la ZDES SA sur un cas d’intérêt industriel (rotor de compresseur axial H.P.) autrement plus exigeant et évaluent diverses voies d’amélioration pour l’approche ZDES. Enfin ils enrichissent cette démarche d’évaluation d’un nouveau cas générique d’écoulement (bosse axisymétrique) permettant d’isoler la problématique de la prévision des décollements de couche limite turbulente en l’absence de singularité géométrique.

Accurate secondary and transitional flows predictions are essential to turbomachinery improvements. They cause additional losses and operating domain reduction. For example tip-leakage vortex flow or corner separation flow in H.P. compressor lead to total pressure losses and promote axial instabilities (surge). Various laminar-turbulent transition processes regulate turbine blade thermal load and thus turbine blades life. Usual CFD turbulence modellings (RANS method) fail to cope with such strongly fluctuating, separated and transitional flows. In response to these challenges, one solution relies in the hybrid RANS/LES method called ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation (Deck 2012)) in its operating modes 0, 1 and 2 : boundary layers are modelled following a RANS method in their whole thickness for avoiding their expensive resolution following an LES method (resolution of the large turbulence scales) which is only used - if needed - far from the wall for high fidelity prediction of separated flows thanks to continuous RANS/LES interfaces. In view to allow ZDES method to be compatible with the majority of laminar-turbulent transition models applied for internal flows, this work proposes numerous ZDES’s variants no more based on Spalart et Allmaras turbulence model (ZDES SA method) but on Menter k − ω SST turbulence model (ZDES SST method). With regards to a deconstruction of their performances in major issues, this work demonstrates the behavioral similarity of those two methods on common flow test cases (mixing layer, backward-facing step, circular cylinder) undemanding for their underlying turbulence model in RANS regions. This work also demonstrates the advantage of ZDES SST over ZDES SA for an industrial relevant test case (high-pressure axial compressor rotor) much more demanding. It assesses various ways of improvement for ZDES method. Finally, it supplements this validation process with a new common test case (axisymetric hill) allowing to isolate the issue of turbulent boundary layer separation prediction in the absence of geometrical singularity.