Добірка наукової літератури з теми "Simulation aux grandes échelles de tourbillons"

Le but de cette thèse est d'étudier le comportement des tourbillons sous l'influence d'une turbulence extérieure. Les travaux portent tout d'abord sur les aspects concernant les tourbillons qui constitutent le sillage des avions. La validation des méthodes numériques utilisées est réalisée par comparaison entre les résultats théoriques et les résultats obtenus par simulation numérique d'un tourbillon solitaire. On a étudié le comportement d'un écoulement perturbé à l'intérieur ou à l'extérieur d'un tourbillon solitaire. L'étude de l'effet de la turbulence extérieure sur une paire de tourbillons longitudinaux contrarotatifs a mis en évidence la compétition entre l'instabilité elliptique et l'instabilité de Crow des tourbillons. Par l'étude des interactions d'une paire de tourbillons longitudinaux contrarotatifs au voisinage d'une paroi, on a mis en évidence le mécanisme de génération d'une couche de vorticité et le décollement des tourbillons au voisinage d'une paroi
The aim of this thesis is to study the behavior of the vortices under the influence of an external turbulence. We present the main mechanisms of instability, which is the basis of the counter-rotating vortices longitudinal decay. For the simulations we have selected the software JADIM developed by IMFT, adapted for Large Eddy Simulation of the turbulent flows. The validation of the numerical methods and of the software used, is made by comparing the theoretical and the numerical results of a single longitudinal vortex flow, in absence of external disturbances. We studied the behavior of a perturbed flow to the interior or to the exterior of a vortex. The study of the effect of the external turbulence on a counter-rotating longitudinal vortices pair highlighted the competition between elliptical and Crow instability. The simulation of the vortices pair in ground effect highlighted the generation mechanism of a vorticity layer and the generation of the secondary vortices

Réaliser un système de combustion à petite échelle reste aujourd’hui un défi. L’augmentation du rapport surface/volume favorise les pertes thermiques, contribue à la diminution du temps de séjour et limite la turbulence. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques intervenant dans un brûleur centimétrique tourbillonnaire de 8 x10 x 8 mm3 (millimètre cube) et mettre au point des outils numériques adaptés. L’écoulement réactif méthane/air est étudié au moyen de simulations numériques LES. La combustion ne consomme pas l’intégralité du carburant, entraînant un rendement de combustion de l’ordre de 50% et d’importantes émissions de polluants. Le deuxième objectif est d’adapter les performances de ce brûleur. L’enrichissement en hydrogène a montré une amélioration sensible du rendement et une réduction des émissions polluantes. Plusieurs configurations géométriques de la chambre ont aussi été étudiées, ce qui a permis de dégager des axes d’améliorations
Designing a meso-scale combustion system remains a challenging scientific and technological issue. Increasing the surface-to-volume ratio promotes wall heat losses, reduces the residence time and turbulence intensity. The main objective of this thesis is to understand the physical phenomena involved in the centimetre-sized asymmetric whirl cubic burner of 8 x 10 x 8 mm3 (millimètre cube) and develop specific adapted numerical tools. The methane/air reactive flow is studied using detailed LES. While fuel and air are injected separately, combustion takes place in the premixed regime. However combustion is far from being complete, causing low combustion efficiency and significant emissions of pollutants. The second objective is to adapt in the best possible way the performances of this burner. Hydrogen enrichment of the fuel mixture showed significant efficiency enhancement and reduced pollutant emissions. Several other combustor geometries are also studied, paving the way for future improvement

L’interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente (IOCCL) est unesituation fréquemment rencontrée dans le domaine des écoulements compressibles d’intérêtapplicatif. L’IOCCL est le siège d’instationnarités à basse fréquence qui engendrent d’importantesfluctuations de pression pariétale et cette thèse s’intéresse à l’étude de dispositifs de contrôle passifde type micro-générateur de vortex (mVG) pour réduire, voire supprimer, ces effets indésirablesde l’IOCCL. Des simulations numériques aux grandes échelles (LES) ont été réalisées en sebasant sur une configuration expérimentale deWang et al. (2012) relative au contrôle de l’IOCCLpar des micro-rampes, avec un nombre de Mach de M = 2.7 et un nombre de Reynolds deRe× = 3600. L’utilisation de ces dispositifs de contrôle se traduit par une réorganisation de lazone de recirculation en brisant l’homogénéité dans la direction transverse de l’écoulement, eten induisant un changement au niveau du mouvement du pied de choc réfléchi qui présenteune zone d’excursion fortement impactée par le sillage des micro-rampes. Des simulationscomplémentaires portant sur trois nouvelles configurations de micro-rampes possédant descaractéristiques géométriques différentes de celle du cas de référence ont permis de dresser unbilan de l’efficacité de ces dispositifs sur le contrôle de l’IOCCL en confrontant l’effet de mVGsde taille réduite à celui de mVGs de taille plus conventionnelle
Because it is ubiquitous in high Mach number internal and external flow of interest in aeronauticalapplications, shock wave/turbulent boundary layer interaction (SBLI) is characterised by alow-frequency unsteadiness which generates large wall-pressure fluctuations that can occur at theresonant frequency of the structures. This work is devoted to the study of passive flow controldevices such as microramp vortex generators (mVGs) to alleviate these detrimental effects of SBLI.Large-eddy simulations (LES) have been performed based on an experimental configurationby Wang et al. (2012) of a SBLI under the influence of microramps at a Mach number ofM = 2.7 and a Reynolds number of Re× = 3600. The use of microramps has been shown toenable a reorganisation of the recirculation zone by breaking the spanwise homogeneity of theinteraction, yielding to a change of the reflected shock foot back and forth motion along the span.Additional simulations on three new configurations allowed to assess the effectiveness of microrampsin controlling the SBLI by comparing reduced size mVGs with more conventional ones

Une étude par imagerie laser de la génération et de la rupture d'un écoulement tourbillonnaire compressé est présentée. Le cadre contractuel [. . . ] est un projet Européen Joule. Notre but est de construire et d'analyser une situation modèle pour la validation [. . . ] dans les moteurs. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des améliorations importantes de la mesure des conditions aux limites. Nous avons ainsi pu rassembler une base de données importante et fiable. Nous avons développé intégralement un nouveau logiciel PIV permettant un décalage itératif subpixel des mailles d'analyses. [. . . ] La précision absolue sur la mesure du déplacement est de l'ordre de 0,01 pixel. [. . . ] L'étude complète des phases d'admission et de compression est présentée. Une analyse des mécanismes de génération et de déstabilisation du tourbillon en terme de décomposition de Reynolds est d'abord proposée. [. . . ] Les effets de courbure et de décollement sont nets pendant l'admission. La déstabilisation du tourbillon pendant la compression est progressive. Deux zones décollées tridimensionnelles apparaissent. [. . . ] Par l'analyse des champs instantanés et l'utilisation de la POD, nous identifions bien les fluctuations de positions corrélées à grande échelle de la structure tourbillonnaire. Ces fluctuations s'amplifient au cours de la compression et sont de plus corrélées à des éjections de fluide vers les zones d'écoulements décollés de la chambre. Nous montrons ainsi que la déstabilisation du tourbillon fait intervenir plusieurs type d'instabilités (Instabilité elliptique mais aussi instabilité centrifuge). Des mesures en situation diphasique pour des conditions aux limites bien contrôlées sont également présentées. [. . . ] Nos mesures de vitesses moyennes et fluctuantes (longitudinales et radiales) sont en très bon accord avec les tendances prédites par la modélisation diphasique Eulérienne. [. . . ]

La qualité de l'air est fortement dégradée lors d'évènements comme les accidents industriels au cours desquels des gaz et des particules néfastes sont libérées dans l'atmosphère et transportées sous l'effet du vent. En milieu urbain, les bâtiments ont un effet de blocage sur l'écoulement ce qui peut entraîner des pics de pollution et donc des risques à court terme pour la santé et l'environnement. Localiser ces pics nécessite de recourir à des modèles résolvant les équations fondamentales de la physique des écoulements et leurs interactions avec le milieu bâti. Malgré leur complexité, ces modèles présentent des incertitudes notamment liées aux conditions atmosphériques. Cette thèse vise à construire et valider un système de modélisation permettant d'estimer ces incertitudes et d'identifier les scénarios possibles de dispersion, en s'appuyant sur des outils venant de l'apprentissage statistique et en informant le modèle à partir d'observations in-situ
Air quality is severely degraded during events such as industrial accidents. Harmful gases and particles are released into the atmosphere and carried by the wind. In built environments, these pollutants can lead to local pollution peaks due to buildings blocking the flow, resulting in short-term health and environmental risks. Locating these peaks requires the use of models solving the fundamental equations of fluid dynamics and their interactions with the built environment. Despite their complexity, these models are subject to uncertainties that are partly linked to atmospheric conditions. The aim of this thesis is to build and validate a modeling system able of estimating these uncertainties and identifying possible dispersion scenarios. This is achieved by using tools derived from statistical learning and by informing the model with in-situ observations

Cette étude a pour but de prédire les trajectoire de jets issus des inverseurs de poussée. Ces dispositifs équipent les avions et génèrent une contre-poussée qui permet de freiner l'appareil lorsque celui-ci est au sol en phase d'atterrissage. L'écoulement sort des inverseurs de poussée sous forme de jet. Un tel écoulement est complexe et s'étend sur une grande distance. Nous avons alors opté pour la méthode particulaire de type « Vortex Blob ». Le domaine d'étude est infini, la résolution est instationnaire et la discrétisation limitée aux zones rotationnelles. Celles-ci se retrouvent sous forme de particules porteuses d'une information tourbillonnaire que l'on suit dans leur mouvement de manière lagrangienne. Dans un premier temps, nous passons en revue tous les types d'écoulement de jet et nous ressortons les principales caractéristiques, notamment pour l'écoulement de jet à buse débouchant dans un écoulement transverse où une paire de tourbillons contra-rotatifs apparaît et persiste loin en aval. L'activité tourbillonnaire est intense et l'évolution du jet varie selon le rapport d'injection du jet (vitesse du jet rapporté à la vitesse de l'écoulement transverse). Nous abordons ensuite l'aspect numérique de l'étude présentant la méthode particulaire. Nous utilisons une méthode particulaire tridimensionnelle à laquelle nous avons adapté un algorithme rapide de type « Tree code », un remmaillage global de l'écoulement ainsi qu'un schéma de diffusion de type « Particle strength Exchange » qui peut prendre en compte un modèle de Simulation des Grandes Échelles (SGE). Le code est de plus entièrement parallélisé grâce aux librairies MPI. Puis, nous traitons de manière académique les simulations de jets transverses. Nous observons et étudions l'évolution des structures tourbillonnaires existantes dans de tels écoulements en fonction du rapport d'injection du jet, d'une variation temporelle de la vitesse initiale du jet, etc. . . Dans un dernier temps, nous présentons une méthode hybride de couplage entre des simulations eulériennes et nos simulation lagrangiennes pour traiter des cas industriels. Après une validation de ce méthode de couplage avec décomposition de domaine, nous présentons des simulation complètes d'un avion en phase d'atterrissage. Enfin, nous mettons en évidence un cas de ré ingestion déjà observé expérimentalement en soufflerie
The aim of this PhD study is to predict the thrust reversers jets trajectories. These devices equip the aircrafts and produce opposite thrust, which brakes the aircraft in landingphase. The flow is ejected from the thrust reversers in a jet like form. This flow is complex and the mains characteristics are present even on a long distance from the nozzle's exit. For this study, we chose the vortex method more especially its « vortex blob » version. The resolution is unsteady and the discretisation is confined to the vortical zones. These zones are represented by vortex particles, carrying vortical information and followed in the flow in a lagrangian way. First, we make a short review of most jet like flows and we focus on their main characteristics, especially form jet issuing from a nozzle into a crossflow, where a contra-rotating vortex pair appears and is long-lived. Vortical structures are numerous in these kind of flow and they mostly depend on the injection ratio (ratio of the jet velocity compared to crossflow velocity). Secondly, treat the numerical aspects of the vortex method method. We use a three-dimensional Vortex Blob method, on which we have implemented a « Tree code » algorithm, a global reggridding of the flow and a « Particle strength Exchange » diffusion scheme, which unables us to use a Large Eddy Simulation (LES) model. On top of that, the whole code is parallelised using the MPI libraries. Then, we present some academical results of crossflow jet simulations. Nous study the temporal evolution of the vortical structures depending on the injection ratio, the temporal evoltion of the jet exit velocity, etc. . . Finally, we present a new hybrid method which couples eulerian simulations to our langrangian simulations in order to treat the industrial flow configurations. After some validation aspects of the new hybrid method with domain decomposition, we present several « complete » simulations of an aircraft in a landing phase. Finally, we are able to distingish re-ingestion case as they were experimentally obersed during wind tunnel testings

La réduction des émissions polluantes des turboréacteurs nécessite une plus grande maîtrise du dimensionnement du système d’injection du mélange air-carburant au sein de la chambre de combustion.L’objectif de la thèse est d’améliorer la compréhension de la dynamique des écoulements swirlés, rencontrés dans les chambres aéronautiques. La simulation aux grandes échelles, qui exploite les super-calculateurs les plus puissants, est devenue un outil d’analyse incontournable. Cependant, la taille des simulations et le volume de données générées rendent difficile l’extraction des phénomènes à grande échelle. A cette fin, de nouvelles méthodes de post-traitement parallèles qui permettent d’accéder à l’évolution temporelle des structures tourbillonnaires dans des géométries complexes sont proposées.Ces méthodes sont appliquées à l’étude de la dynamique de flammes swirlées diphasiques dans lesquelles les structures cohérentes interagissent avec la zone réactive et le brouillard de gouttes
The reduction of pollutant emissions of aeronautical devices requires to optimize the design of the injection systems in the combustion chamber. The objective of this work is to improve the understandingof the flow dynamics in swirl stabilized burners. Large Eddy Simulation has become a major tool for the analysis of such flows. The steady increase in computational power enables to perform high-fidelity simulations, that generates a large amount of data, making it difficult to extract relevant information regarding the large scale phenomena. To this aim, massively parallel post-processing methods, suited for complex geometries, were developed in order to extract large-scale structures in turbulent flows. These methods were applied to simulations of spray flames in swirl burners, to get a better insight of how the large scale structures interact with the flame topology and the spray dynamics

Une méthode tridimensionnelle pseudo spectrale de Simulation des Grandes Échelles (LES), utilisant une Viscosité Spectrale Évanescente (SVV) est développée pour étudier un écoulement tournant en régime turbulent avec parois. Cette technique SVV est tout d'abord validée en montrant qu'elle conserve la précision de notre approximation spectrale. Puis une étude rotorstator est faite. Tout d'abord elle est confrontée avec la DNS à bas nombre de Reynolds. Puis à plus grand nombre de Reynolds (de 10^5 à 10^6), l'étude produit une description détaillée des structures, des caractéristiques, et des quantités turbulentes de l'écoulement et de ses couches limites. Ces résultats sont comparés très favorablement avec la littérature et avec une expérience réalisée dans des conditions identiques. L'ensemble de ces résultats montrent que la SVV, associée à une approximation d'ordre élevé, permet de réaliser des calculs LES d'écoulements complexes pour lesquels les approches classiques échouent
Fully three-dimensional Large Eddy Simulation (LES) is developed with spectral approximation using a Spectral Vanishing Viscosity (SVV) technique. The SVV is first shown to keep the accuracy of the approximation. Secondly, turbulent flows are studied in an actual enclosed rotor-stator configuration. At low Reynolds number, we use a Direct Numerical Simulation (DNS) as reference. Then at Higher Reynolds number (from 10^5 to10^6), we provide detailed data on the flow and its boundary layer, including structures, physical properties, and statistical data. The results are favorably compared with the literature and an experiment conducted on an identical apparatus. We conclude that the SVV, coupled with a high order approximation, succeed in computing LES of complex flows when classical LES models fail

La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.

Dans le contexte actuel de croissance continue de la demande mondiale en combustible fossile, la sécurité de la production, du transport, ainsi que du stockage de l'énergie est un défi majeur de ce début de XXIème siècle. Les produits manipulés étant extrêmement volatils et inflammables, les éventuelles fuites qui peuvent survenir malgré les lourdes mesures de sécurité mises en place, peuvent engendrer des explosions désastreuses. Il existe donc un fort besoin d'être capable de prédire ces explosions afin de limiter les dégâts potentiels et d'assurer la sécurité des personnes et des biens. Dans cette optique, l'augmentation régulière des puissances de calcul permet à la CFD (Computational Fluid Dynamics) de se présenter comme une alternative intéressante aux expériences qui peuvent s'avérer couteuses et dangereuses. Les explosions sont des phénomènes multi-physiques qui sont principalement dirigés par la turbulence et la combustion et qui prennent place sur une très large gamme d'échelles nécessitant ainsi d'être modélisées. Aujourd'hui, des codes basés sur une approche URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont généralement utilisés afin de simuler des explosions de gaz dans des configurations à échelle industrielle. Cependant, l'émergence de la LES (Large Eddy Simulation), qui a déjà montré son potentiel à donner des prédictions plus fiables que le URANS sur des configurations instationnaires complexes, ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine de la sécurité explosion. Le but principal de cette thèse est d'évaluer l'apport des méthodes LES et de développer une méthodologie pour la prédiction des phénomènes réactifs turbulents transitoires que sont les explosions. Tout au long de cette étude, un intérêt particulier a été porté à l'approfondissement de la compréhension des phénomènes d'explosion ainsi qu'à la mise en valeur des points cruciaux de modélisation qui permettent une reproduction correcte des phénomènes considérés. Notre approche peut alors se résumer en deux temps : - Dans un premier temps nous nous sommes concentrés sur l'étude LES des déflagrations dans une chambre de combustion de petite échelle : la configuration expérimentale de l'Université de Sydney. La LES associée à un modèle de flamme épaissie a ainsi été appliquée à cette configuration à l'aide du code AVBP (développé par le CERFACS et l'IFP-EN) et a permis de mettre en place une méthodologie de calcul. Une étude de Quantification d'Incertitude (UQ) a ensuite été réalisée sur ces simulations afin d'évaluer la fiabilité de ces résultats, ce qui est primordial dans ce contexte d'étude de sécurité. - Dans un second temps, le but a été d'extrapoler les résultats obtenus sur la configuration de petite échelle à des configurations de plus grande échelle, plus représentatives des configurations industrielles réelles de plateformes pétrolières ou de dépôts de carburants qui constituent l'objectif final visé. Une campagne expérimentale a ainsi été lancée afin de construire des répliques de la configuration de Sydney à des échelles plus importantes et de les étudier numériquement grâce à la méthodologie LES mise en place sur la configuration de petite échelle. Afin de replacer notre étude dans le contexte actuel et de le relier à l'état-de-l'art en matière d'étude de risque d'explosions, d'autres calculs de ces configurations d'explosion ont été réalisés en parallèle de l'étude LES, premièrement avec un code phénoménologique développé dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'avec le code URANS FLACS. Ceci a permis de mettre en évidence leurs limitations ainsi que l'apport de la LES pour ce type d'étude.