Modélisation algébrique des flux turbulents pour des écoulements avec massevolumique variable en approche RANS et hybride RANS/LES

RANS and hybrid RANS/LES algebraic modeling of turbulent fluxes in variable density flows

• Auteur / Autrice : Billy Kamtchueng tchuenbou
• Direction : Christophe Friess
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Inscription en doctorat le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Instabilités Hydrodynamiques et Turbulence

Mots clés

Mots clés libres

Flux turbulents

Approche hybride RANS/LES

Masse volumique variable

Turbulent fluxes

RANS and hybrid RANS/LES approach

Variable density

Résumé

Dans le cadre de l'évaluation des risques d'explosion, une première phase d'évaluation des écoulements et de la dispersion est nécessaire. Cette phase est particulièrement importante pour des locaux de grande taille comme on peut en rencontrer dans les installations nucléaires et qui sont le plus souvent le siège de phénomènes de stratification décisifs pour le risque explosif. Par ailleurs, les situations d'incendie dans les locaux génèrent des écoulements avec des masses volumiques très variables. Ces deux problématiques requièrent donc la simulation d'écoulements turbulents avec de forts effets de flottabilité. Pour modéliser cette dispersion, trois approches sont possibles : une modélisation complète des flux turbulents (RANS), une modélisation des flux de sous-filtre et un calcul direct des grandes échelles (LES), une combinaison des deux approches (méthodes hybrides). Si la première approche présente l'avantage d'être rapide, sa précision dépend du degré de sophistication du modèle de turbulence. La seconde approche est bien plus prédictive mais nécessite des temps de calcul plus importants et souvent rédhibitoires avec les contraintes des études. Enfin la dernière approche (approches hybrides RANS/LES, notamment non-zonales) doit permettre de trouver un compromis entre rapidité et précision ; ces techniques connaissent, pour ces raisons, un intérêt grandissant. Elles sont d'autant plus performantes que le modèle RANS sous-jacent est précis. Le sujet de thèse proposé est fondé sur cette analyse, à savoir développer, dans la plate-forme CALIF3S de l'IRSN, des modèles algébriques issus d'une modélisation au second ordre dans un contexte RANS pour les flux turbulents et hybride RANS/LES pour les flux de sous-filtre. Ces modèles sont en effet connus pour améliorer de manière significative la modélisation des flux turbulents, aussi bien dans un contexte RANS que LES, tout en conservant les performances et la robustesse des modèles de viscosité turbulente. L'ensemble de ces développements participe par ailleurs à l'amélioration des prévisions de la turbulence pour l'ensemble des applications de la plate-forme CALIF3S et n'est donc pas restreint aux écoulements non-réactifs.

Within the framework of the assessment of explosion risks, a first phase of evaluation of flows and dispersion is necessary. This phase is particularly important for large premises such as those found in nuclear installations, which are often the site of stratification phenomena that are decisive for the explosive risk (tilting on either side of the flammability limit of the atmosphere depending on the mixture or stratification of combustible gases). In addition, fire situations in premises generate flows with very variable densities. These two problems require the simulation of turbulent flows with strong buoyancy effects.To model this dispersion, three approaches are possible: a complete modeling of the turbulent flows (RANS), a modeling of the sub-filter flows and a direct calculation of the large scales (LES), a combination of both approaches (hybrid methods). While the first approach has the advantage of being fast, its accuracy depends on the sophistication of the turbulence model. The second approach is much more predictive but requires more computation time and often prohibits the constraints of the studies. Finally, the last approach (hybrid RANS/LES approaches, especially non-zonal ones) should allow to find a compromise between speed and accuracy; for these reasons, these techniques are of growing interest [1,3]. They are all the more efficient as the underlying RANS model is accurate. The subject of the proposed thesis is based on this analysis, namely to develop, in the CALIF 3S platform [2] of IRSN, algebraic models derived from a second-order modeling in a RANS context for turbulent fluxs and hybrid RANS/LES for subfilter fluxes. These models are indeed known to significantly improve the modeling of turbulent flows, both in a RANS [10] and LES [9] context, while maintaining the performance and robustness of turbulent viscosity models. All these developments contribute to the improvement of turbulence predictions for all the applications of the CALIF 3S platform and are therefore not restricted to non-reactive flows.