Simulation haute-fidélité du transfert thermique conjugué entre un fluide turbulent et le corps d'une conduite hydraulique

High-fidelity simulation of conjugate heat transfer between a turbulent flow and a duct geometry

• Auteur / Autrice : Rodrigo Vicente Cruz
• Direction : Éric Lamballais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Paola Cinnella
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Lamballais, Sébastien Deck, Florent Duchaine, Cédric Flageul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Helge I. Andersson, Guillaume Balarac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Méthodes des frontières immergées

Transfert de chaleur

Turbulence

Simulation des grandes échelles

Simulation numérique directe

Mots clés libres

Simulation numérique directe

Simulation à grande échelle

Calcul haute performance

Écoulement turbulent dans les conduites

Transfert thermique conjugué

Conditions aux limites thermiques

Géométrie complexe

Méthode des frontières immergées

Direct numerical simulation

Large-Eddy simulation

High performance computing

Turbulent pipe flow

Conjugate heat transfer

Thermal boundary conditions

Complex geometry

Immersed boundary method

Résumé

Cette étude est consacrée au développement d’une nouvelle technique numérique pour la simulation du transfert thermique conjugué avec une application pour la reproduction de l’écoulement turbulent dans une conduite. La méthode est construite progressivement pour atteindre la haute-fidélité souhaitée. Tous les développements numériques et simulations sont effectués sur la base du code libre et massivement parallèle Incompact3d/Xcompact3d. Dans une première phase, le potentiel de la stratégie numérique choisie est étendu puis évalué par simulation directe et implicite à grande échelle pour mieux cerner la façon de combiner avantageusement ses caractéristiques. Parmi ces dernières, on peut mentionner la méthode des frontières immergées basée sur des interpolations polynomiales de Lagrange, la technique originale de filtrage visqueux et la modélisation implicite de turbulence pariétale par utilisation d’une dissipation numérique d’ordre élevé comme ersatz de la contribution sous-maille.La deuxième partie est consacrée à l’introduction d’une stratégie originale pour la simulation du transfert thermique turbulent pariétal. Dans ce but, la méthode des frontières immergées est adaptée pour permettre l’imposition de conditions aux limites thermiques spécifiques. L’approche est validée par simulation numérique directe du transfert de chaleur en turbulence de conduite avec des conditions aux limites de type Isoflux ou mixte. Une attention particulière est accordée au cas Isoflux qui nécessite des développements pour permettre l’imposition d’une condition aux limites de type Neumann. Cette stratégie est ensuite mise à profit pour mettre au point une méthode polyvalente qui permet la reproduction d’un phénomène de transfert thermique conjugué entre un fluide turbulent et le corps de la conduite qui le contient. Il est démontré que cette technique de couplage est capable de fournir une description précise de l’interaction thermique entre les milieux fluide et solide, ce qui peut être utile, par exemple, pour améliorer la modélisation RANS/LES dans les applications industrielles pour lesquelles les contraintes thermiques fluctuantes sont une préoccupation. La conduite cylindrique considérée ici,sans lien avec la nature Cartésienne du maillage, peut être vue comme un prototype de géométrie complexe, ceci ouvrant la voie à la réalisation de simulations haute-fidélité en géométrie réaliste telle que celle d’un Té de mélange avec plus largement des applications dans le cadre des centrales nucléaires ou solaires.

This study concerns the development of a new numerical technique for the simulation of Conjugate Heat Transfer (CHT) in turbulent pipe flow configuration. The method is progressively developed in order to ultimately grow into the desired high-fidelity technique. All numerical developments and simulations are carried out within the massively parallel open-source code Incom-pact3d/Xcompact3d.In a first phase, the capabilities of the present numerical strategy are expanded and assessed. By means of Direct and Implicit Large-Eddy Simulation (DNS/ILES), its advantageous combination of numerical features are explored, among which we may highlight the Immersed Boundary Method (IBM) based on Lagrange polynomial interpolations, the original Viscous Filtering technique for DNS/ILES and the implicit wall-layer modelling feature intrinsic to the use of high-order numerical dissipation as an ersatz of the subgrid-scale (SGS) contribution.The second part is focused on the introduction of an original strategy for the simulation of heat-transfer in wall turbulence. For that purpose, the IBM is subjected to extensive developments for the correct imposition of boundary conditions on the thermal field. The numerical techniques are validated with DNS of heat transfer in turbulent pipeflow with Isoflux (IF) and Mixed-type Boundary Conditions (MBC). Special attention is given to IF, as an original methodology based on IBM is developed for the imposition of Neumann boundary conditions. The strategy is then used to introduce a versatile method for the numerical simulation of CHT in pipe configuration. It is shown that this technique is capable of providing an accurate description of the thermal interaction between fluid and solid media, which may be valuable, for instance, to improve RANS/LES modelling in industrial applications where fluctuating thermal stresses are a concern. The pipe geometry is considered here as a prototype of complex geometry to investigate, in further work,conjugate heat transfer in more complex geometries such as solar power plants and T-junction flow.