Modélisation physique avancée pour la conception d'avions

Advanced physical modeling for aircraft design

• Auteur / Autrice : Yuri Laar
• Direction : Francois Chedevergne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ONERA/DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Turbulence

Modélisation RANS au second ordre (RSM);

Couche limite

Gradient de pression adverse

Applications aéronautiques

Transfert de chaleur turbulent

Turbulence

Reynolds-stress models

Boundary layer

Adverse pressure gradient

Aeronautical applications

Turbulent heat transfer

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer et d'évaluer un modèle avancé de turbulence pour surmonter les limites et les problèmes associés à ceux mis en œuvre et utilisés dans les solveurs CFD dans AIRBUS. Le modèle sera basé sur le transport des tensions de Reynolds (Reynolds Stress Model, RSM) afin d'éviter l'utilisation de l'hypothèse Boussinesq. Parmi les modèles RSM qui sont à l'état de l'art figurent: (i) le SSG-LRR-ω [CER15], développé au DLR, et le (ii) EBRSM (Elliptic-blending Reynolds-stress turbulence) de Manceau [MAN15]. Ces modèles ont été évalués sur plusieurs applications et ont démontré avec succès leur potentiel. Cependant, les deux souffrent de certaines limitations qui empêchent leur intégration dans le solveur CODA. En effet, le modèle SSG-LRR-ω relie deux fermetures [LAN75,SPE91] pour le terme pression-contrainte en utilisant une fonction de mélange pour représenter les comportements de proche-paroi et du champ lointain. Cependant, le comportement de proche-paroi des contraintes de Reynolds dans des situations canoniques telles que l'écoulement en canal ou les écoulements de couche limite est mal capturé par le modèle SSG-LRR-ω. Le modèle EBRSM fournit une description très précise des contraintes de Reynolds dans la région proche-paroi [MAN02] mais il repose sur une formulation de mélange elliptique qui n'est pas formellement conforme aux exigences d'un code CFD compressible. L'approche proposée dans cette thèse est de combiner ces deux modèles (LRR-SSG-ω et EBRSM) en conservant les formulations des deux modèles qui sont les plus adaptés aux exigences de mise en œuvre dans le solveur CODA. En d'autres termes, le modèle de proche paroi pour la contrainte de pression donnée par Manceau et Hanjalić [MAN02] sera retenu et combiné à la formulation SSG standard [SPE91] en utilisant une fonction continue et dérivable, sans aucune équation elliptique. D'autre part, une attention particulière sera accordée à la phase implicite de l'intégration temporelle. Au lieu d'utiliser la différenciation automatique complète, il peut être plus efficace de ne conserver que certaines composantes de la matrice jacobienne pour améliorer la robustesse et la convergence. Dans un second temps, la réponse du modèle à un gradient de pression adverse (Adverse Pressure Gradient, APG) doit être améliorée. L'approche proposée par Knopp [KNO16], et étendue par Sporschill [SPO21, SPO22], sera adoptée pour renforcer le modèle développé à cet égard. Les principales zones d'une couche limite soumise à un fort APG seront traitées (région logarithmique, région de racine carrée, région de sillage). Toutefois, pour maintenir la généralité et la validité du modèle, aucun terme explicite de gradient de pression ne sera introduit. Le comportement de l'APG repose sur l'étalonnage fin des différents termes et constantes apparaissant dans les équations de transport modélisées (tensions de Reynolds et échelle de longueur). Les avantages attendus de cette approche seront démontrés par des études de cas [SKA94, KNO21] et des configurations applicatives plus représentatives. Enfin, différentes relations de fermetures algébriques pour le flux de chaleur turbulent [DEH11] seront mises en œuvre dans le solveur CODA. L'objectif est de sélectionner la formulation la plus adaptée aux différentes applications nécessitant une bonne description du transfert de chaleur.

The aim of this thesis is to develop and evaluate an advanced turbulence model to overcome the limitations and problems associated with those implemented and used in CFD solvers at AIRBUS. The model will be based on the Reynolds Stress Model (RSM) in order to avoid the use of the Boussinesq assumption. State-of-the-art RSM models include: (i) SSG-LRR-ω [CER15], developed at DLR, and (ii) Manceau's EBRSM (Elliptic-blending Reynolds-stress turbulence) [MAN15]. These models have been evaluated on several applications and have successfully demonstrated their potential. However, both suffer from certain limitations that prevent their integration into the CODA solver. Indeed, the SSG-LRR-ω model links two closures [LAN75,SPE91] for the pressure-stress term using a mixing function to represent near-wall and far-field behavior. However, the near-wall behavior of Reynolds stresses in canonical situations such as channel flow or boundary layer flows is poorly captured by the SSG-LRR-ω model. The EBRSM model provides a very accurate description of Reynolds stresses in the near-wall region [MAN02], but it relies on an elliptical mixing formulation that does not formally comply with the requirements of a compressible CFD code. The approach proposed in this thesis is to combine these two models (LRR-SSG-ω and EBRSM), retaining the formulations of the two models that are best suited to the implementation requirements in the CODA solver. In other words, the near-wall model for pressure stress given by Manceau and Hanjalić [MAN02] will be retained and combined with the standard SSG formulation [SPE91] using a continuous and derivable function, without any elliptic equation. On the other hand, special attention will be paid to the implicit phase of time integration. Instead of using full automatic differentiation, it may be more efficient to retain only certain components of the Jacobian matrix to improve robustness and convergence. Secondly, the model's response to an adverse pressure gradient (APG) needs to be improved. The approach proposed by Knopp [KNO16], and extended by Sporschill [SPO21, SPO22], will be adopted to strengthen the model developed in this respect. The main zones of a boundary layer subject to strong APG will be treated (logarithmic region, square root region, wake region). However, to maintain the generality and validity of the model, no explicit pressure gradient terms will be introduced. The behavior of the APG relies on the fine calibration of the various terms and constants appearing in the modeled transport equations (Reynolds tensions and length scale). The expected benefits of this approach will be demonstrated through case studies [SKA94, KNO21] and more representative application configurations. Finally, different algebraic closure relations for turbulent heat flux [DEH11] will be implemented in the CODA solver. The aim is to select the most suitable formulation for the various applications requiring a good description of heat transfer.