Simulations avancées et analyse physique de turbulence pariétale hors équilibre à grand nombre de Reynolds

Advanced numerical simulations of turbulent separations in the vicinity of aeronautical vehicle walls

• Auteur / Autrice : Jaime Vaquero
• Direction : Sébastien Deck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 14/06/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Aérodynamique, Aéroélasticité, Acoustique (2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Camille Chassaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Hervy, Nicolas Renard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lamballais, Jean-Marc Foucaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite turbulente

Reynolds, Nombre de

Simulation par ordinateur

Turbulence

Mots clés libres

Turbulence pariétale

Hors équilibre

Grand nombre de Reynolds

Analyse spectrale

Simulation numérique

ZDES

Wall-bounded turbulence

Non-equilibrium

High Reynolds numbers

Résumé

La communauté scientifique a consacré des efforts importants depuis plusieurs décennies visant à une meilleure compréhension de la turbulence pariétale, principalement sur des configurations d’écoulements canoniques. Toutefois, la simulation numérique de ces derniers est souvent menée à un nombre de Reynolds limité par le coût de calcul des approches DNS et WRLES, et significativement inférieur aux valeurs typiquement retrouvées dans les applications industrielles. Cette thèse étudie numériquement des écoulements de couche limite hors équilibre sur des configurations non canoniques à des nombres de Reynolds plus élevés que ceux atteignables à coût abordable par les approches DNS et WRLES, en utilisant une approche WMLES, la ZDES mode 3. En particulier, des conditions hors équilibre sont obtenues dans un premier cas test par des effets de gradient de pression et de courbure, et dans un deuxième cas test par un décollement mince et recollement de la couche limite. De plus, une étude préalable des effets de sensibilité aux conditions amont des couches limites en gradients de pression est réalisée. La présence de turbulence résolue dans les simulations ZDES mode 3 permet une meilleure prise en compte des effets hors équilibre qui se traduit par une meilleure prévision du champ moyen comparé aux prévisions en approche RANS, donnant une reproduction des données expérimentales particulièrement remarquable en aval du recollement pour le deuxième cas test. Par ailleurs, des analyses approfondies de la turbulence résolue par la ZDES mode 3 ont permis une meilleure caractérisation de la dynamique de la turbulence pariétale et de son écart à l’équilibre dans les cas étudiés.

Considerable effort has been devoted by the scientific community over the last decades to a better understanding of wall-bounded turbulence, mainly for canonical flows. However, the numerical simulation of these flows is often limited in terms of Reynolds number due to the excessive computational effort required by DNS and WRLES approaches, resulting in a much lower Reynolds number than those typically observed in industrial flows. The present work aims at studying wall-bounded turbulence of non-canonical flows at higher Reynolds numbers than those affordable by means of DNS or WRLES, employing a WMLES approach: ZDES mode 3. In particular, in the simulations considered here, non-equilibrium conditions are obtained by pressure gradient and curvature effects in a first test case, and by means of a mild separation and reattachment of the boundary layer in a second test case. Moreover, a preliminary study of upstream perturbations effects on boundary layers in pressure gradient conditions is presented. The presence of resolved turbulence in the ZDES mode 3 simulations allows to better take into account non-equilibrium effects and hence, a more reliable prediction of the mean field is obtained when compared to RANS simulations, giving particularly accurate results downstream of reattachment in the second test case. In addition, the in-depth analysis of the turbulence resolved by ZDES mode 3 has enabled to better quantify the wall-bounded turbulence dynamics and its deviation from equilibrium in the configurations considered.