Modélisation avancée des écoulements de jonction avec fermeture non-linéaire et approche hybride RANS/LES

Advanced modelling of junction flows with non-linear closure and hybrid RANS/LES approach

• Auteur / Autrice : Laura Lidia Prudenzano
• Direction : Sébastien Deck
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 16/01/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - MFE - Mécanique des Fluides et Energétique

Mots clés

Mots clés libres

Modelisation turbulence

Fermetures non linéaires

Décollement de coin

Cfd

Rans/les

Turbulence modelling

Non-linear closure models

Corner separation

Cfd

Rans/les

Résumé

L'écoulement au sein des zones de jonction est caractérisé par la présence d'écoulements secondaires. Ces écoulements secondaires, regroupés sous le terme « tourbillons de coins », sont générés par l'interaction entre les couches limites des surfaces composant la jonction et par l'anisotropie et l'asymétrie des tensions de Reynolds qui en résulte. Il est essentiel de prévoir l'évolution des tourbillons de coins car ceux-ci peuvent provoquer un décollement de couche limite au niveau de la jonction, nommé décollement de coin, susceptible de dégrader fortement les performances aérodynamiques de l'aéronef. La difficulté réside dans le fait que les méthodes numériques largement utilisées dans l'industrie de la conception aérodynamique, basées sur l'approche RANS avec l'hypothèse linéaire de Boussinesq, ne permettent pas une prédiction fiable des décollements de coin. Ces modèles linéaires, en effet, ne sont pas en mesure de reproduire par construction le niveau élevé d'anisotropie dans la zone du coin. Cela justifie le développement de modèles de fermeture RANS non linéaires. Des améliorations significatives ont été obtenues au cours de la dernière décennie avec le QCR (Quadratic Constitutive Relation) de Spalart et des variantes plus complexes du RSM (Reynolds Stress Model). D'autre part, la prédiction des séparations fines et des phénomènes instationnaires liés aux écoulements en coin implique l'utilisation d'approches de simulation plus avancées pour reproduire la dynamique des échelles turbulentes les plus énergétiques. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec des approches hybrides RANS/LES, comme le ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) développé par l'ONERA, qui est capable de simuler avec fidélité une large gamme d'écoulements séparés. Le travail proposé dans cette thèse fait partie de ce processus de recherche visant à améliorer la compréhension physique et la modélisation des écoulements dans les jonctions. Par conséquent, les objectifs scientifiques généraux de la thèse sont mener une analyse et une interprétation physique des fermetures RANS non linéaires appliquées aux tourbillons de coin et évaluer la capacité des approches multi-résolution, comme les modèles hybrides RANS/LES, à simuler des applications techniques comportant des écoulements de coin.

The flow within junction zones is characterised by the presence of secondary flows. These secondary flows, often grouped under the term '' corner vortices '', are generated by the interaction between the boundary layers of the surfaces of the junction and by the resulting anisotropy and asymmetry of Reynolds tensions. It is essential to predict the evolution of corner vortices as these can cause boundary layer separation at the junction, known as corner separation, which can severely degrade the aerodynamic performance of the aircraft. In order to meet this need for accurate junction flow prediction, the RANS turbulence modelling approach is used as standard in aerodynamic shape design. However, the most commonly used RANS turbulence models are based on the Boussinesq assumption which does not allow to account for the anisotropy of the Reynolds tensor responsible for the appearance of corner vortices. This justifies the development of non-linear RANS closure models.Significant improvements have been obtained in the last decade with the Spalart QCR (Quadratic Constitutive Relation) and more complex RSM (Reynolds Stress Model) variants. On the other hand, the prediction of thin separations and unsteady phenomena related to corner flows implies the use of more advanced simulation approaches to reproduce the dynamics of the most energetic turbulent scales. Promising results have been achieved with hybrid RANS/LES approaches, as the ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) developed by ONERA, which is able to simulate with fidelity a wide range of separated flows. The work proposed in this thesis is part of this research process aiming at improving the physical understanding and modelling of junction flows. Therefore the general scientific objectives of the thesis are to conduct an analysis and physical interpretation of non-linear RANS closures applied to corner vortices and to assess the ability of multi-resolution approaches, like hybrid RANS/LES models, to simulate technical applications featuring corner flows.