Raffinement de maillage adaptatif pour les modèles de turbulence hybride RANSE/LES

Adaptive Grid Refinement for Hybrid RANS/LES

• Auteur / Autrice : Sajad Mozaffari
• Direction : Michel Visonneau, Jeroen Wackers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 18/05/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Paola Cinnella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Visonneau, Jeroen Wackers, Paola Cinnella, Rickard Bensow, Kai Schneider, Marta de la Llave Plata, Éric Lamballais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rickard Bensow, Kai Schneider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul adaptatif

Turbulence

Mécanique des fluides

Mots clés libres

RANS/LES hybride

Raffinement de maillage adaptatif

Critère moyen

Hybrid RANS/LES

Adaptative grid refinement

Averaged criterion

Résumé

Les modèles hybrides RANS/LES, qui utilisent les capacités des modèles RANS et LES, conviennent pour la simulation d’écoulements à nombre de Reynolds élevé avec des phénomènes physiques et des géométries complexes. Pourtant, en raison de la dépendance du comportement de ces modèles par rapport à la taille locale des mailles, la génération de maillages avec une bonne résolution est cruciale. Pour une simulation hybride RANS/LES complexe, la génération du maillage est une étape qui demande un effort important. Un processus de raffinement adaptatif est une alternative intéressante, mais nécessite la prise en compte des effets du changement de maillage sur la performance du modèle. Cette thèse porte sur le développement du raffinement adaptatif de maillage basé sur du moyennage et son intégration dans le solveur fluide ISIS-CFD. Le but est d’obtenir un maillage adapté ayant une topologie globalement statique, qui suit les caractéristiques principales de l’écoulement. Premièrement, la dépendance des modèles hybrides RANS/LES par rapport aux modifications du maillage et l’effet d’une interface de raffinement sur la production et la destruction de turbulence sont étudiés. Ensuite, un moyennage en temps des solutions instantanées basé sur différents intervalles est effectué pour filtrer les fluctuations dans la solution moyenne, en fonction des fréquences caractéristiques de l’écoulement. Une procédure de raffinement est ensuite développée, basée sur deux stratégies de moyennage des critères de raffinement instantanés: le moyennage dans une fenêtre glissante et le moyennage sur la totalité du temps de calcul. Le processus d’adaptation proposé est évalué en effectuant une simulation DDES d’un navire en dérive, afin de reproduire la solution sur un maillage fin de référence. L’adaptation basée sur la moyenne réussit à reproduire les principales caractéristiques de l’écoulement et crée des maillages raffinés stables autour des tourbillons principaux. Ainsi, l’approche adaptative constitue une alternative au processus manuel de génération de maillage pour les simulations hybrides RANS/LES, en particulier avec des géométries complexes.

Taking advantage of the capabilities of RANS and LES models, hybrid RANS/LES models are suitable for the simulation of high Reynolds number flow with complex physical phenomena and geometries. However, due to the dependency of the behavior of these models on the local grid size, the generation of mesh with the right resolution is crucial. For a complex hybrid RANS/LES simulation, the mesh generation is a time- and effort-consuming step. An adaptive refinement process is an attractive alternative, but requires the consideration of mesh change effects on the performance of the model. This thesis focuses on the development of adaptive grid refinement based on averaging and its integration in the ISISCFD flow solver. The aim is to obtain an adapted mesh whichhasagenerallystatictopologybasedonthemainflow features. First, the dependency of hybrid RANS/LES models on the mesh changes and the effect of a refinement interface on the turbulence production and destruction are considered. Then, time-averaging of the instantaneous solutions over various intervals is carried out to filter the flow fluctuations in the mean solution based on the frequencies of the flow features. A refinement procedure is then developed based on two averaging strategies over instantaneous refinement criteria: the sliding window averaging, and the averaging over the whole computational time. The proposed adaptation process is assessed by performing a DDES-based simulation of a ship in drift in order to reproduce the solution on a reference fine mesh. The average-based adaptation successfully follows the main flow features and creates stable refined grids around the main vortices. Thus, the adaptive approach can be an alternative for the manual mesh generation process of hybrid RANS/LES simulations, especially with complex geometries.