Academic literature on the topic 'Couche limite turbulente – Simulation par ordinateur'

Durant le régime de détente dans les tuyères propulsives, plusieurs phénomènes physiques sont rencontrés: jet supersonique, décollement de jet, gradient de pression adverse, onde de choc, couche limite turbulente, couche de mélange fortement compressible, écoulement de retour, turbulence à grande échelle. Ces phénomènes très complexes peuvent considérablement influer sur les performances de la tuyère. Le présent travail porte sur l’analyse physique et la simulation numérique de l’écoulement turbulent décollé dans une tuyère supersonique à contour idéal tronqué (TIC). La turbulence est modélisée par une approche statistique (FRANS) en coordonnées généralisées, en utilisant un modèle à deux équations de transport (SST-Menter). Le système d’équations régissant cet écoulement est résolu à l’aide de la méthode des volumes finis en maillage structuré. L’intégration en temps est réalisée par le schéma numérique totalement implicite de type prédicteur-correcteur de Mac-Cormack. Alors que les flux convectifs sont discrétisés grâce au schéma de Steger-Warming. Les flux visqueux sont discrétisés par un schéma centré du second ordre. Les résultats numériques obtenus ont permis de retrouver les différents phénomènes observés expérimentalement.

Cette étude est à l’intersection de deux problématiques que sont (i) la description des structures cohérentes d’une couche limite turbulente et (ii) les méthodes numériques adaptées pour le calcul haute performance de ces écoulements. Les principaux objectifs sont de caractériser les grandes structures de la turbulence et de développer de nouveaux outils numériques pour la simulation de couches limites turbulentes. Une nouvelle simulation numérique directe de couche limite turbulente de plaque plane est réalisée avec le code Incompact3d. Une relation entre les structures cohérentes attachées à la paroi et le spectre d'énergie dans une couche limite turbulente est établie et comparée à une étude antérieure basée sur des résultats expérimentaux. Une application particulière de la méthode de squelettisation est proposée pour établir des statistiques plus précises des structures cohérentes de la turbulence. Les statistiques des structures grandes échelles de vitesse longitudinale (LSM) et les différents composantes des tensions de Reynolds turbulent instantanées (quadrants) sont comparées. Dans un second temps, un nouveau module de tests est implémenté dans le solveur Navier-Stokes incompressible développé en interne. La performance de ce nouveau code est analysée. Les problèmes de stabilité à nombre de Reynolds élevé sont abordés et certaines solutions sont proposées
This work lies at the intersection of two problems concerning turbulence (i) the description of coherent structures of turbulent boundary layer flow and (ii) the numerical methods for high-performance computing of these flows. The main objectives are to analyze coherent structures and to develop new numerical tools to be used in turbulence research with a special focus on the turbulent boundary layers. A new direct numerical simulation of a turbulent boundary layer flow over a flat plate is conducted with the code Incompact3d. A relationship between attached flow structures and the streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer has been established similarly to an earlier experimental study. A novel application of the skeletonization method is proposed to obtain detailed statistics of coherent structures. Statistics of large-scale motions (LSM) and Reynolds Shear Stress quadrant structures are compared. In the second part, a new test-suite is implemented to the in-house incompressible Navier-Stokes solver. Performance of the code is analyzed. The stability problems at high Reynolds numbers are addressed and some solutions are proposed

On peut constater une analogie étroite entre les mécanismes d'atomisation primaire dans une couche cisaillée diphasique et ceux précédant la transition au mélange dans une couche monophasique : l'instabilité primaire et la cinétique d'étirement des ligaments de fluide dense dans le courant rapide sont similaires dans les cas monophasiques et diphasiques si les vitesses d'injection et le rapport initial des masses volumiques sont les mêmes. L'atomisation primaire s'apparente au mélange turbulent de deux fluides pris dans la même phase pour les grands nombres de Reynolds et de Weber, comme dans le cas d'une injection LOx-H2 dans Vulcain. On choisit alors d'étudier l'influence du rapport initial de masse volumique sur la dynamique prétransitionnelle d'une couche monophasique plane au moyen de simulations numériques. A ce stade, la raideur des fonctions manipulées implique le recours aux solveurs hyperboliques de type solveur de Roe associés à des schémas Essentiellement Non Oscillants d'ordre élevé (WENO) et ce, pour la discrétisation des flux convectifs. Une fois établies les limites du compromis précision-robustesse des solveurs développés, deux directions d'étude sont privilégiées : tout d'abord des calculs Navier-Stokes, destinés à la compréhension des mécanismes fondamentaux de mélange avant la transition à la turbulence 3D. L'étude révèle que, lorsque le rapport des masses volumiques entre les courants lents et rapides est supérieur à 1, la dynamique non-linéaire de la couche est gouvernée par un champ tourbillonnaire asymétrique, au bilan duquel contribue fortement la distribution des gradients de masse volumique via le couple barocline. La possibilité de prendre en compte à la fois de forts rapports de masse volumique et des effets diffusifs variables permet d'établir les échelles intégrales de temps de mélange. Ensuite, des calculs conduits dans l'approche MILES, autorisant des nombres de Reynolds plus éleve

Ce travail a concerne le chauffage des locaux de grandes dimensions par panneaux radiants suspendus au plafond. Notre objectif etait de mettre au point des outils numeriques afin d'etudier d'une part le couplage entre les emetteurs radiants et l'enveloppe du local, d'autre part le confort thermique resultant de ce procede de chauffage. Nous avons elabore un modele thermique simplifie qui prend en compte le rayonnement de surface, la conduction et la convection par l'intermediaire de coefficients d'echange. Nous avons notamment pu mettre en evidence l'influence de la position des panneaux radiants sur les temperatures de parois. Un processus iteratif entre ce modele thermique et un modele numerique resolvant les equations de navier-stokes a ete automatise. Il nous a permis de montrer que les vitesses sont faibles dans le cur de la cavite et plus importantes le long des parois. Nous avons egalement constate que le chauffage par panneaux radiants n'entraine pas de stratification thermique au sein du local. Ces resultats nous ont incites a etudier le transfert thermique a la paroi. Dans un modele parabolique resolvant les equations de la couche limite, nous avons implante deux modeles algebriques de turbulence. Ceci a permis de mettre en evidence l'influence de la non-uniformite de la temperature de paroi sur le transfert de chaleur. Les correlations issues de cette etude ont ete introduites dans le modele thermique ; elles ont permis d'obtenir des resultats en accord avec une modelisation fine des phenomenes convectifs et avec des resultats experimentaux. Nous avons egalement mis au point un modele pour calculer trois criteres de confort thermique: la temperature resultante, l'asymetrie de rayonnement et l'eclairement maximal admissible. Nous avons pu mettre en evidence, dans un cas reel de halls industriels, la grande influence de la position des panneaux radiants sur le confort thermique

La simulation numérique directe pseudo-spectrale est appliquée à l'étude de la transition vers la turbulence dans une couche limite en rotation. La configuration étudiée comporte deux anneaux plans parallèles, en rotation d'ensemble, entre lesquels passe un flux radial forcé. L'augmentation progressive des paramètres de contrôle permet d'observer et de caractériser successivement les différents types d'instabilité convective, puis absolue. Les effets non linéaires et non parallèles font l'objet d'une étude plus poussée. Les simulations mettent en évidence l'existence d'une bifurcation sous critique vers un mode global non linéaire lié à l'instabilité absolue. Plusieurs scénarios de transition sont ensuite observés, en particulier à travers une instabilité secondaire absolue du front primaire
The transition process in a rotating boundary layer is numerically investigated, using pseudo-spectral direct numerical simulation. The study is conducted in an open rotating cavity made of two disks of finite radial extent, rotating around the same axis, and fed by a forced inflow. Increasing the control parameter, we are able to successively identify the different types of instability, convective then absolute, and to focus on both nonlinear and non-parallel effects. The results exhibit the presence of a subcritical global bifurcation, toward a nonlinear global mode. Further work evidences the competition between different transition processes, while demonstrating the existence of a direct route through secondary instability of the primary global mode

Sur fond de crise pétrolière, il devient crucial pour les industries de transport, civiles ou militaires, de réduire la consommation de carburant de leurs véhicules. Aussi. la réduction de leur traînée de frottement laisse espérer des gains énergétiques substantiels. Notamment à l'origine de cette force, la contrainte pariétale dans les couches limites turbulentes résulte de phénomènes dynamiques complexes difficilement observables et peu prévisibles. Il s'agit de structures tourbillonnaires cohérentes. dont les tailles et temps caractéristiques sont encore difficilement atteignables dans les applications industrielles. Pour mieux prévoir les gains potentiels et en vue d'une future démonstration expérimentale. des simulations numériques de leur contrôle au moyen d'un micro système d'actionnement original sont présentées dans ce mémoire. L'accent a été mis sur le réalisme de la modélisation. Ces travaux ont d'abord permis un diagnostic des techniques de simulation des couches limites spatiales et ont abouti à une amélioration des conditions d'entrée turbulentes et au développement d'une méthode performante de génération synthétique de turbulence. Des stratégies de contrôle ont ensuite été proposées, qui permettent d'accroître la faisabilité pratique des mécanismes associés au contrôle en opposition, bien connus de la littérature. La mise en œuvre de cette dernière stratégie au moyen d'un microsystème distribué réaliste a finalement permis de caractériser ses performances réelles. Les mécanismes d'interaction entre turbulence et actionneur sont précisément décrits. L'identification de facteurs de rendement permet alors d'orienter les futurs travaux à ce sujet
The rising cost of oil leads most of transportation firms to work towards reducing the fuel consumption of their vehicles. ln aeronautical applications, they mainly focus on viscous drag reduction. which gives hope to considerable power savings. The approach followed in the present work aims at manipulating the turbulent features responsible for the friction force. Located in the turbulent part of boundary layers. they consist in coherent vortices. whose characteristic time and space scales are costly to reach experimentally and numerically. This work postulates that only a high level of realism could help to predict accurately the performance of coherent vortices-based drag control methods. It is therefore taken into account at three stages of the design of our flow control simulation. which are the choice of the Reynolds number, the control algorithm and the actuating system. First of all, the simulation of high Reynolds number spatial boundary layers is often limited by computing capacities. Thanks to an optimization of existing inflow boundary conditions, current work helps to reduce CPU cost and widens the field of reachable flow conditions. Secondly, two improvements of the well-known oppositiol control have been proposed to allow its experimental adaptation. They are assessed using large-eddy simulation (LES) at a reasonable cost. Finally, a realistic MEMS is mode lied and used to manipulate the fine turbulent structures in the vicinity of the wall. Real influence on drag as well as precise interaction mechanisms are described using direct numerical simulation (DNS). Efficiency parameters are identified and possible ways of improvement are indicated

Ce travail concerne l'étude numérique et expérimentale des écoulements et des transferts thermiques au voisinage et dans une paroi poreuse soumise à un écoulement interne de fluide. Les simulations numériques de l'écoulement pariétal sont effectuées en utilisant un modèle classique de turbulence (modèle RNG k-ɛ). Une modélisation discrète de l'effusion à travers la paroi poreuse est développée afin de prédire les interactions entre l'écoulement pariétal et le fluide injecté. Les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans une soufflerie thermique. Le couplage entre les transferts au voisinage et à l’intérieur de la paroi poreuse est étudié en fonction du taux d'injection, de la température de l'écoulement potentiel et de la surface d'échange interne du milieu poreux. Un modèle nodal des transferts thermiques internes à la paroi, couplé au modèle des couches limites soumises à de l'effusion, permet de calculer les températures de parois. Par comparaison entre les résultats de la modélisation et ceux de l'expérience, les coefficients d'échanges internes aux milieux poreux sont calculés. Enfin, en vue d'optimiser la protection thermique des parois, la transpiration d'un liquide est étudiée. Les résultats expérimentaux, obtenus avec la transpiration d’éthanol, alors que l’écoulement pariétal est gazeux, mettent en évidence une excellente performance du système de protection. Le débit de réfrigérant évaporé est calculé à partir de mesures de concentration dans la couche limite pariétale puis est utilisé pour l'étude numérique des transferts de masse en couche limites
The flows and the heat transfer near and inside a porous wall subjected to an internal flow are numerically and experimentally studied. Numerical simulations of the main flow are performed using a classical model of turbulence (RNG k-ɛ model). A discrete modeling of blowing through a porous plate is developed in order to predict interactions between the main flow and the injected fluid. Numerical results are in good agreement with experimental data obtained with a subsonic wind tunnel. The coupling between the heat transfer near and inside porous plates is studied for different injection rates, main flow temperatures and internal exchange surfaces of porous media. Surfaces temperatures are calculated using a nodal model of internal heat transfer, linked to the model of boundary layer submitted to injection. By comparing numerical and experimental temperatures of walls, the heat transfer coefficients inside porous media are calculated. In order to improve the thermal protection of walls, the transpiration with a liquid is studied. Experimental results, obtained with ethanol injection whereas the main flow is gaseous, show an important enhancement of the protection process. The coolant evaporation rate is calculated using measurement of mass fraction in the boundary layer and is used for the numerical study of mass transfer in the boundary layer

L'objectif principal de ce travail est d'analyser les effets d'un gradient de pression défavorable modéré sur la dynamique d'écoulement d'une couche limite turbulente. Dans ce contexte, une simulation numérique directe (DNS) de la couche limite turbulente (TBL) soumise à un gradient de pression défavorable modéré (APG) hors équilibre a été réalisée jusqu'à un Reynolds de 8000 en utilisant le code open-source Incompact3d. Une large base de données résolues en temps et en espace a été collectée et utilisée pour analyser les statistiques de la turbulence. Une attention particulière a été consacrée à l'existence et à l'évolution du pic de contraintes de Reynolds observé dans la zone externe de la couche limite. Différentes échelles de vitesse ont été étudiées, testées et confrontées aux résultats numériques. L'échelle de vitesse basée sur la contrainte de cisaillement permet de mettre à l'échelle tous les profils de contraintes de Reynolds pour plusieurs nombres de Reynolds, ce qui indique que toutes les contraintes de Reynolds sont associées à une dynamique unique des structures turbulentes.Les structures cohérentes à grande échelle des fluctuations de vitesse longitudinales ont été étudiées en utilisant la corrélation spatiale en deux points. Une comparaison avec un cas sans gradient de pression à un nombre de Reynolds équivalent nous permet d'étudier l'effet du gradient de pression sur la taille et l'inclinaison des structures cohérentes attachées. Une étude approfondie sur les structures cohérentes a également été réalisée, où chaque structure a été détectée séparément en utilisant une méthode de seuillage afin de distinguer les effets des grandes et petites échelles et de mieux comprendre les mécanismes qui contrôlent la dynamique de ces structures. La contribution des mouvements de grande échelle (LSM) sur les contraintes de Reynolds en comparaison avec le cas ZPG a également été analysée
The main objective of this work is to analyze the effects of a moderate adverse pressure gradient on the dynamics of turbulent boundary layer flows. For that purpose, a direct numerical simulation (DNS) of the turbulent boundary layer (TBL) subjected to a moderate adverse pressure gradient (APG) out of equilibrium has been performed using the open-source code Incompact3d up to a Reynolds number of 8000 based on momentum thickness. A large database resolved in time and space was collected and used to analyze the turbulence statistics. Special attention has been paid to the existence and evolution of the outer peak of Reynolds stresses observed in APG wall-bounded flows. Different velocity scalings have been investigated and tested against the numerical results. The velocity scale based on the shear stress is shown to scale all the Reynolds stresses profiles for different Reynolds numbers, indicating that all Reynolds stresses are associated with a single dynamics of turbulent structures.The large-scale coherent structures of the streamwise velocity fluctuations have been investigated using two-point spatial correlation. A comparison with a zero pressure gradient case at an equivalent Reynolds number allows us to further investigate the effect of the pressure gradient on the size and inclination of attached coherent structures. A deeper investigation of the coherent structures was also performed, where each structure was detected separately based on a thresholding method to distinguish between the effects of large and small scales and to better understand the mechanisms controlling the dynamics of these structures. The contribution of large-scale motions (LSM) on the Reynolds stresses comparing with ZPG case was also analyzed

Les simulations numériques directes (DNS) des couches limites supersoniques adiabatiques et isothermes (chauffées et refroidies) sont effectuées. Deux différents scénarios de transition, à savoir la décomposition de type oblique et la transition de type 'by-pass', sont présentés en détail. Pour le scénario de transition de type oblique, les résultats montrent que les modes contrôles avec un nombre d'onde quatre à cinq fois supérieur au nombre fondamental se révèlent être bénéfiques pour contrôler la transition. Dans la première région après le forçage du mode de contrôle, la distorsion de flux moyenne (MFD) bénéfique générée en induisant le mode de contrôle est uniquement responsable de l'entrave à la croissance du mode fondamental. Globalement, le MFD et la partie tridimensionnelle du contrôle contribuent également à contrôler la rupture oblique. Les effets de paramètres physiques tels que la température de paroi, l'intensité de la perturbation et le 'baseflow' sont étudiés pour la transition de 'By-pass'. Les résultats concernant le scénario de by-pass révèlent que l'augmentation de l'intensité de la perturbation déplace le début de la transition en amont et augmente également la longueur de la région de transition. De plus, en dessous de 1 % des niveaux de perturbation, le refroidissement de la paroi stabilise le flux, tandis que l'inverse se produit à des valeurs plus élevées. L'existence d'un non-équilibre thermomécanique avance le début de la transition pour les cas chauffés alors que la paroi refroidie se comporte dans le sens opposé. Les analyses de la couche limite turbulente montrent que les facteurs thermiques influencent la topologie et l'inclinaison des structures tourbillonnaires. De plus, en ce qui concerne le flux de chaleur, un processus de transfert différent est dominant dans la région proche paroi pour la paroi refroidie
Direct numerical simulations (DNS) of both adiabatic and isothermal (heated and cooled) supersonic boundary layers are performed. Two different transition scenarios, namely the Oblique-type breakdown and the By-pass transition are presented in detail. For the oblique-type transition scenario, the results show that the control modes with four to five times the fundamental wavenumber are beneficial for controlling the transition. In the first region, after the control-mode forcing, the beneficial mean-flow distortion (MFD) generated by inducing the control mode is solely responsible for hampering the growth of the fundamental-mode. Globally, the MFD and the three-dimensional part of the control contribute equally towards controlling the oblique breakdown. Effects of physical parameters like wall-temperature, perturbation intensity and baseflow are investigated for the By-pass transition. The results regarding the by-pass scenario reveal that increasing the perturbation intensity moves the transition onset upstream and also increases the length of the transition region. Additionally, below 1% perturbation levels, wall-cooling stabilizes the flow while inverse happens at higher values. The existence of the thermo-mechanical non-equilibrium advances the onset of transition for the heated cases while the cooled wall behaves in the opposite sense. The analyses of the turbulent boundary layer show that the thermal factors influence the topology and inclination of the vortical structures. Moreover, regarding the heat flux, different transfer process is dominant in the near-wall region for the cooled wall

La présente étude a pour objectif de développer des outils et des modèles pour la simulation des grandes échelles en thermique dans le cadre d'un écoulement turbulent perturbé par de l'effusion anisotherme. En outre, des mesures expérimentales sont effectuées en vue de compléter et de valider les résultats obtenus ; dans un premier temps, nous avons développé une condition limite d'entrée de fluide pour la vitesse et la température qui permet l'établissement d'une couche limite thermique turbulente nécessaire à l'étude de l'effusion. Nous avons ensuite étudié le comportement asymptotique de la vitesse et de la température filtrées en proche paroi et avons déterminé le comportement pariétal des flux thermiques sous-mailles. Nous avons alors choisi d'utiliser et de tester des méthodes dynamiques du calcul des la diffusivité sous-maille sur la configuration d'un canal plan turbulent avec des conditions de paroi à température imposée, flux imposé et de paroi adiabatique. L'étude, à la fois numérique et expérimentale, de l'effusion nous a permis d'évaluer l'impact de l'effusion anisotherme sur une couche limite turbulente. Nous avons notamment étudié l'impact de l'effusion sur les profils moyens et fluctuants de la vitesse et de la température mais aussi sur les profils des fluctuations vitesse-vitesse et vitesse-température. Par ailleurs, nous avons noté que l'effusion favorise le développement des structures tourbillonnaires dans la couche limite
The aim of this work is to study thermal large-eddy simulations and to determine the non-isothermal blowing impact on a turbulent boundary layer. An experimental study is also carried out in order to complete and validate simulation results. In a first time, we developed a turbulent in let condition for the velocity and the temperature, which is necessary for the blowing simulations. We studied the asymptotic behavior of the velocity, the temperature and the thermal turbulent fluxes in a large-eddy simulation point of view. We then considered dynamics models for the eddy-diffusivity and we simulated a turbulent channel flow with imposed temperature, imposed flux and adiabatic walls. The numerical and experimental study of blowing permitted to obtain to the modifications of a thermal turbulent boundary layer with the blowing rate. We observed the consequences of the blowing on mean and rms profiles of velocity and temperature but also on velocity-velocity and velocity-temperature correlations. Moreover, we noticed an increase of the turbulent structures in the boundary layer with blowing

Le dépôt de particules sur une paroi joue un rôle significatif dans les procédés polyphasiques fluide-solides, tels que la séparation inclusionnaire dans les poches d'acier liquide en métallurgie secondaire qui permettent de contrôler la propreté du métal avant solidification. L'objectif de ce travail est d'étudier le dépôt turbulent et la capture de particules sur une paroi, dans des situations où la turbulence au sein de la couche limite est produite à la fois par la contrainte pariétale et par les forces d'agitation du bain liquide loin de cette paroi. Les simulations sont mises en œuvre à l'échelle mésoscopique, en considérant des particules ponctuelles mais avec une turbulence complètement résolue. Un code de simulation maison a été développé, utilisant une méthode de Boltzmann sur réseau pour résoudre la dynamique de l'écoulement et en appliquant un forçage linéaire isotrope pour générer artificiellement la turbulence loin de la paroi. Le suivi lagrangien de particules permet enfin d'établir un couplage faible entre le mouvement des particules et l'écoulement turbulent. Ces techniques numériques ont été appliquées à la simulation directe d'une couche limite turbulente dans laquelle les particules de taille plus petite que l'échelle de Kolmogorov sont introduites. Les mécanismes de dépôt pour des aérosols ont été analysés et une loi statistique de vitesse de dépôt en fonction du nombre de Stokes a été extraite et comparée à la littérature. L'ensemble de ces simulations permet une meilleure compréhension des mécanismes de dépôt et de capture, en fonction de la turbulence du fluide au sein de la couche limite et des propriétés des particules. De plus, les résultats préliminaires obtenus pour des particules hydrosols, qui correspondent à des conditions qui prévalent pour des inclusions dans les poches d'acier liquide, ont montré que l'outil numérique peut être appliqué à l'étude quantitative de la capture inclusionnaire aux parois des réacteurs métallurgiques
Deposition of particles on a wall plays a significant role in fluid-solid processes such as inclusions recovery from liquid steel in ladle furnace, that controls inclusion cleanliness upstream from solidification. The aim of this work is to study the turbulent deposition and capture of particles on a wall, in a situation where turbulence in the boundary layer originates both from wall shear and from agitation in the external flow. In a ladle furnace, such an agitation would result from bubble injection. A framework for simulations at mesoscopic scale in which particles are represented as points but the turbulence is fully resolved has been developped using an in-house solver, where a Lattice Boltzmann Method (LBM) solves flow dynamics and linear isotropic forcing generates artificial turbulence. Lagrangian Particle Tracking (LPT) is used to achieve one way coupling between particle motions and turbulent flow. These numerical methods were applied to Direct Numerical simulation (DNS) of a fully developed turbulent boundary layer in which particles smaller than the Kolmogorov length scale are introduced. The deposition mechanisms in aerosol conditions have been analyzed and quantified into a statistical law for deposition velocity in terms of Stokes number, and validated against data from the literature. Such simulations have provided a better understanding of deposition and capture mechanisms, depending on the turbulent flow in a wall boundary layer and on particle physical properties. Also, preliminary simulations in hydrosol conditions that match actual ladle operation have shown that the framework developed in this work can be applied to investigate inclusion behavior in secondary steel-making although statistical analysis in this work focused on aerosols