Towards practical large-eddy simulations of complex turbulent flows

International audienceA Shear-Improved Smagorinsky model (SISM) allowing to address non-homogeneous and unsteady flow configurations in a physically-sound manner, without adding significant complication and computation compared to the standard Smagorinsky model, is studied and implemented. Interestingly, the SISM does not call for any adjustable parameter nor ad-hoc damping function. It makes use here of an exponential smoothing algorithm to estimate the ensemble-average of the strain from the temporal evolution of the flow. Application on a flow past a circular cylinder is used as a test of the method

Zonal large-eddy simulation of a fan tip-clearance flow, with evidence of vortex wandering

The flow in a fan test-rig is studied with combined experimental and numerical methods, with a focus on the tip-leakage flow. A zonal RANS/LES approach is introduced for the simulation: the region of interest at tip is computed with full large-eddy simulation (LES), while Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) is used at inner radii. Detailed comparisons with the experiment show that the simulation gives a good description of the flow. In the region of interest at tip, a remarkable prediction of the velocity spectrum is achieved, over about six decades of energy. The simulation precisely captures both the tonal and broadband contents. Furthermore, a detailed analysis of the simulation allows identifying a tip-leakage vortex (TLV) wandering, whose influence onto the spectrum is also observed in the experiment. This phenomenon might be due to excitation by upstream turbulence from the casing boundary layer and/or the adjacent TLV. It may be a precursor of rotating instability. Finally, considering the outlet duct acoustic spectrum, the vortex wandering appears to be a major contribution to noise radiation

A Kalman filter adapted to the estimation of mean gradients in the large-eddy simulation of unsteady turbulent flows

A computationally-efficient method based on Kalman filtering is introduced to capture “on the fly” the low-frequency (or very large-scale) patterns of a turbulent flow in a large-eddy simulation (LES). This method may be viewed as an adaptive exponential smoothing in time with a varying cut-off frequency that adjusts itself automatically to the local rate of turbulence of the simulated flow. It formulates as a recursive algorithm, which requires only few arithmetic operations per time step and has very low memory usage. In practice, this smoothing algorithm is used in LES to evaluate the low-frequency component of the rate of strain, and implement a shear-improved variant of the Smagrosinky’s subgrid-scale viscosity. Such approach is primarily devoted to the simulation of turbulent flows that develop large-scale unsteadiness associated with strong shear variations. As a severe test case, the flow past a circular cylinder at Reynolds number (in the subcritical turbulent regime) is examined in details. Aerodynamic and aeroacoustic features including spectral analysis of the velocity and the far-field pressure are found in good agreement with various experimental data. The Kalman filter suitably captures the pulsating behavior of the flow and provides meaningful information about the large-scale dynamics. Finally, the robustness of the method is assessed by varying the parameters entering in the calibration of the Kalman filter

Towards Hybrid CAA with ground effects

CAA based on the Linearised Euler Equations (LEE) is applied to propagate aerodynamic sound over an extended distance including ground effects. The LEE are coupled to data from an LES via an acoustic analogy to follow-up the sound from the source to the extended far field: the complete chain is illustrated on the sound generated by a cylinder in a M ∼ 0.2 and Re ∼ 48000 flow. A very good agreement is found in free field between the approach based on the Ffowcs-Williams & Hawkings (FWH) analogy only and the combined FWH-LEE approach. The ability of the combined approach to handle complex boundary conditions is illustrated on the same data set with a rigid and a grassy ground

Aspects cinétiques et acoustiques en simulation numérique des grandes échelles, et application à l'étude du contrôle de l'écoulement de jeu en turbomachines

Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l'écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d'aube, est l'origine de pertes d'énergie, d'instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l'emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l'influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L'écoulement en régime sous-critique autour d'un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu'une turbulence intense, tout comme l'écoulement de jeu. Les simulations permettent l'obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d'extraction du champ moyen montre que l'adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l'analyse d'un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d'aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d'aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l'emploi d'un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d'aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l'aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n'est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques

Zonal Large-Eddy Simulation of a Fan Tip-Clearance Flow, With Evidence of Vortex Wandering

The flow in a fan test-rig is studied with combined experimental and numerical methods, with a focus on the tip-leakage flow. A zonal RANS/LES approach is introduced for the simulation: the region of interest at tip is computed with full large-eddy simulation (LES), while Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) is used at inner radii. Detailed comparisons with the experiment show that the simulation gives a good description of the flow. In the region of interest at tip, a remarkable prediction of the velocity spectrum is achieved, over about six decades of energy. The simulation precisely captures both the tonal and broadband contents. Furthermore, a detailed analysis of the simulation allows identifying a tip-leakage vortex wandering, whose influence onto the spectrum is also observed in the experiment. This phenomenon might be due to excitation by upstream turbulence from the casing boundary layer and/or the adjacent tipleakage vortex. It may be a precursor of rotating instability. Finally, considering the outlet duct acoustic spectrum, the vortex wandering appears to be a major contribution to noise radiation

Smoothing algorithms for mean-flow extraction in large-eddy simulation of complex turbulent flows

The following article has been submitted to Physics of Fluids. After it is published, it will be found at http://pof.aip.orgInternational audienceBased on physical arguments, the importance of separating the mean-flow from turbulence in the modeling of the subgrid-scale eddy-viscosity is emphasized. Therefore, two distinct time-domain smoothing algorithms are proposed to estimate the mean-flow as the simulation progresses, namely, an exponentially weighted moving average (or exponential smoothing) and an adaptive low-pass Kalman filter. These algorithms highlight the longer-term evolution or cycles of the flow but erase short-term fluctuations. Indeed, it is our assumption that the mean-flow (in the statistical sense) may be approximated as the low-frequency component of the velocity field and that the turbulent part of the flow adds itself to this "unsteady mean." The cutoff frequency separating these two components is fixed according to some characteristic time-scale of the flow in the exponential smoothing, but inferred dynamically from the recent history of the flow in the Kalman filter. In practice, these two algorithms are implemented in large-eddy simulations that rely on a shear-improved Smagorinsky's model. In this model, the magnitude of mean-flow rate of strain is subtracted from the magnitude of the instantaneous rate of strain in the subgrid-scale eddy-viscosity. Two test-cases have been investigated: a turbulent plane-channel flow (Rew = 395) and the flow past a circular cylinder in the subcritical turbulent regime (ReD = 4.7×104). Comparisons with direct numerical simulation and experimental data demonstrate the good efficiency of the whole modeling. This allows us to address nonhomogeneous unsteady configurations without adding significant complication and computational cost to the standard Smagorinsky's model. From a computational viewpoint, this modeling deserves interest since it is entirely local in space. It is therefore adapted for parallelization and convenient for boundary conditions

Towards practical large-eddy simulations of complex turbulent flows

International audienceA Shear-Improved Smagorinsky model (SISM) allowing to address non-homogeneous and unsteady flow configurations in a physically-sound manner, without adding significant complication and computation compared to the standard Smagorinsky model, is studied and implemented. Interestingly, the SISM does not call for any adjustable parameter nor ad-hoc damping function. It makes use here of an exponential smoothing algorithm to estimate the ensemble-average of the strain from the temporal evolution of the flow. Application on a flow past a circular cylinder is used as a test of the method

Biens produits par l'écosystème

Dans EFESE-écosystèmes agricoles, la production agricole de biomasse végétale n’est pas conceptualisée comme un SE d’approvisionnement mais comme un processus de production de biens agricoles (cf. section 3.1). Le niveau de production agricole résulte des interactions entre les SE de régulation dont bénéficie l’agriculteur, appelés « SE intrants » ci-après, et des apports d’intrants exogènes (ex. énergie du travail du sol, fertilisants et amendements, eau d’irrigation, produits phytosanitaires). Différents modes de production de biens végétaux peuvent être distingués suivant la part relative de la production agricole permise par les SE de régulation pour un niveau de production donnée. Par exemple, il est possible de distinguer les systèmes de production « conventionnels » dont le niveau de production agricole est fortement basé sur les intrants exogènes, des systèmes de production, souvent qualifiés d’« agroécologiques », dont le niveau de production agricole est fortement déterminé par les SE dit « intrants » (Bommarco et al., 2013; Duru et al., 2015a; Gliessman, 2007; Therond et al., 2017)

: Rapport scientifique de l'étude réalisée par l'INRA - Novembre 2017

L’ambition de l’étude Inra "EFESE-EA" est de décrire les mécanismes et déterminants de la fourniture des services écosystémiques par les écosystèmes agricoles sur la base d'une revue des connaissances existantes, et de procéder à leur évaluation à l’échelle nationale sur la base d’indicateurs définis dans le cadre de l’étude. L’organisation du travail, telle que prévue en début d’étude, se voulait séquentielle : (1) identification et spécification biophysiques d’une liste de biens agricoles et services écosystémiques ; (2) évaluation biophysique : quantification du niveau de fourniture des biens et services identifiés à l’étape (1) (3) évaluation économique : quantification de la valeur économique des services (le plus souvent dans une unité monétaire) Dans le temps imparti à l’étude, le collectif d’experts a donné la priorité aux volets biophysiques (1) et (2) afin : - d’instruire de façon robuste la conceptualisation des biens et services (volet 1) : ce travail constitue un front de recherche actuel, associé à une littérature académique abondante mais parfois non stabilisée, que le collectif d’experts s’est attaché à analyser de façon à proposer des choix de conceptualisation argumentés ; - de pousser au maximum l’exercice d’évaluation biophysique (volet 2) dans le cadre de la demande initiale formulée par le MEEM : cartographier la production d’un large panel de biens agricoles et les SE rendus par les écosystèmes agricoles à la résolution spatiale la plus fine possible, et à l’échelle France entière. A noter que le présent exercice ne constituant pas un projet de recherche mais bien une étude institutionnelle Inra (au sens des procédures DEPE), l’ensemble des évaluations développées dans le présent rapport est réalisée à partir de données existantes, aucun travail d’expérimentation visant à acquérir de nouvelles données de terrain n’ayant été conduit. Il résulte de ce choix de priorisation que : - le volet d’évaluation économique (3) est initié pour quelques SE mais peu développé en comparaison des volets (1) et (2) ; - tout en veillant à élaborer des méthodologies d’évaluation biophysiques traçables et robustes, les experts ont pris le parti de proposer des méthodologies plus exploratoires pour quelques SE pour lesquels les données actuelles ne permettent pas d’évaluer directement le niveau de fourniture à l’échelle France entière : dans ces cas particuliers (signalés explicitement dans les sections du rapport dont ils font l’objet), les méthodologies ont été mises en œuvre jusqu’à la réalisation des cartographies dans le but de donner à voir le potentiel qu’offrent ces méthodologies et la nature des résultats qu’elles peuvent produire sous condition de leur validation France entière, plutôt que dans le but d’interpréter pour eux-mêmes les résultats obtenus. Les experts se sont alors particulièrement attachés à relativiser les résultats quantitatifs ainsi produits, et à accompagner les cartographies d’un descriptif détaillé des protocoles de validation qu’il faudrait mettre en œuvre dans les suites de l’étude pour stabiliser et valider ces méthodologies exploratoires. Ce parti pris du groupe de travail EFESE-écosystèmes agricoles est compatible avec l’objectif poursuivi dans le programme EFESE, qui se donne pour objectif de produire un guide méthodologique pour l’évaluation des biens et SE en en pointant les limites, difficultés, précautions et améliorations possibles associées à chacune des pistes avancées