Modélisation statistique des écoulements turbulents en convection forcée, mixte et naturelle

L'objectif général de la thèse est d'améliorer la modélisation numérique RANS des flux thermiques turbulents notamment en proposant un modèle fonctionnant dans les trois régimes de convection thermique (forcée, mixte et naturelle).Pour ce faire, un état des lieux, non exhaustif, des modèles des flux thermiques utilisant les approches algébriques et à équations de transport, est effectué. Puis, le modèle EB-RSM (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) étant utilisé pour modéliser la turbulence, le principe de la pondération elliptique est appliqué aux modèles des flux thermiques turbulents algébriques EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) et à équations de transport EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Une attention particulière a été apportée aux échelles de temps et de longueur utilisées pour ces modèles. Il en résulte qu'utiliser une échelle de longueur thermique différente de l'échelle de longueur dynamique et une échelle de temps mixte dans le terme de flottabilité de l'équation de la dissipation turbulente est préférable.Pour valider les formulations retenues, nous avons effectué des tests pour des fluides usuels (nombre de Prandtl de l ordre de 1) dans les trois régimes de convection à l'aide de l'outil de calcul Code_Saturne sur des configurations académiques, semi-académiques et industrielles.Des résultats satisfaisants ont été obtenus en associant l'EB-RSM et le GGDH en convection forcée ou mixte et l'EB-RSM aux modèles EB-DFM et AFM en convection naturelle.The PhD main objective is to improve the turbulent heat flux RANS modelling especially by proposing a model working in the three thermal convection regime (forced, mixed and natural).In order to achieve this, a non-exhaustive state of art of heat flux model, using algebraic approach and transport equations, is done. Then, as EB-RSM model (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) is used to model turbulence, elliptic blending approach is apply to algebraic turbulent heat flux model EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) and transport equation model EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Special attention was paid to time and length scales used with these models. It follows that using a thermal length scale different from dynamic length scale and a mixed time scale in the buoyant term of turbulent dissipation equation is better.To validate these models, some test were done for common fluids (Prandtl number in the order of 1) in the three convection regimes with the tool Code_Saturne on academic, mid-academic and industrial cases.Good results were obtained combining EB-RSM with GGDH in forced or mixed convection and EB-RSM with EB-DFM or AFM in natural convection.POITIERS-SCD-Bib. électronique (861949901) / SudocSudocFranceF

T-PITM: a consistent formulation for seamless RANS/TLES coupling

In the frame of inhomogeneous turbulence, a consistent formalism to seamlessly bridge LES and RANS must be based on temporal filtering. Such an approach is presented, the temporal-PITM, based on a transport equations for the subfilter-scales. In order to obtain a balance resolved/modelled energy consistent with the cutoff frequency imposed by the local mesh refinement, a dynamical subfilter-scale model is used

Développement d'une méthode hybride RANS-LES temporelle pour la simulation de sillages d'obstacles cylindriques

Dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents, les approche hybrides RANS/LES ont reçu récemment beaucoup d attention car ils combinent le coût de calcul raisonnable du RANS et la précision de la LES.Parmi elles, le TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) est une approche hybride RANS/LES temporelle qui surmonte les inconsistances du raccordement continu du RANS et de la LES grâce à un formalisme de filtrage temporel. Cependant, le modèle TPITM est relativement difficile à mettre en œuvre et, en particulier, nécessite l utilisation d une correction dynamique, contrairement à d autres approches, notamment la DES (Detached Eddy Simulation).Cette thèse propose alors une approche hybride RANS/LES similaire à la DES, mais basée sur un filtrage temporel, déduite du modèle TPITM par équivalence, c est-à-dire en imposant la même partition entre énergies résolue et modélisée. Ce modèle HTLES (Hybrid Temporal LES) combine les caractéristiques de la DES (facilité de mise en œuvre) et du TPITM (formalisme consistant, justification théorique des coefficients).Après calibration en turbulence homogène, l approche est appliquée à des cas d écoulements autour de cylindres carrés puis rectangulaires. La modélisation des tensions de sous-filtre est une adaptation au contexte hybride du modèle RANS k-wSST.In the field of modelling of turbulent flows, hybrid RANS/LES approaches have recently received a considerable attention due to the combination of the computational cost of RANS and the accuracy of LES.Among them, TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) is a hybrid RANS/Temporal LES approach that overcomes the inconsistency of the continuous bridging of RANS and LES by using a temporal filtering formalism. However, TPITIM is relatively difficult to implement and, in particular, requires a dynamic correction, contrary to other approaches, in particular DES (Detached Eddy Simulation).The present thesis then proposes a hybrid RANS/LES approach similar to DES, but based on temporal filtering, derived from TPITM using an equivalence criterion, i. e., imposing the same partition of among resolved and modeled energies. This HTLES approach (Hybrid Temporal LES) combines the characteristics of DES (ease of implementation) and of TPITM (consistent formalism, theoretical justification of the coefficients).POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Contribution à la modélisation instationnaire de la turbulence (modélisations urans et hybride rans/les)

Cette thèse concerne la modélisation instationnaire de la turbulence. La présence de structures à grande échelle dans des écoulements statistiquement stationnaires invalide certaines hypothèses. L introduction du terme pour les équations URANS ne suffit pas, une nouvelle décomposition et un opérateur associé sont nécessaires. L applicabilité des méthodes de fermeture usuelles doit alors être vérifiée. Par exemple, la périodicité du jet synthétique entraîne un non-équilibre créant un non-alignement permanent des tensions de déformation et d anisotropie que le modèle RSM reproduit mais pas le modèle k- . La modélisation hybride RANS/LES non-zonale, dérivée d une proposition initiale de Schiestel, repose donc sur des équations de transport pour les tensions de Reynolds ( ij)SGS, et pour la dissipation, où l opérateur de décomposition joue le rôle d un filtre dont la fréquence de coupure peut être maîtrisée. La qualité des résultats obtenus sur une couche de mélange temporelle atteste de la capacité de ce modèle à capter les grandes structures de l écoulement.The aim of this work is to account for the unsteadiness effects on the turbulence in single point closure. The existence of large scale structures in statistically steady flows leads to reconsider some hypothesis. Much more than adding the time derivatives , the URANS equations needs to consider a new decomposition and an assiociated operator. Therefore, the applicability of usual closure methods has to be examined. For exemple, the periodicity of a synthetic jet leads to a non-equilibrium, which induces a permanent misalignment of anisotropy tensor and strain tensors. RSM are able to reproduce this misalignment, whereas k- . model can't. A seamless hybrid RANS/LES method, based on the version of Schiestel's model, relies on transport equations for the subgrid stress ( ij)SGS and dissipation. The decomposition operator is then assimilated as a filter with an adapatative cutoff frequency. The predictions obtained on a temporal mixing layer shows the ability of this model to capture the very large structure of the flow.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocNANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Modélisation hybride RANS/LES temporelle des écoulements turbulents

In industrial situation, the computation of unsteady and three-dimensional characteristics of complex flows, is often necessary. Large-eddy simulation demands prohibitive computational costs, peculiarly near walls. One of the objectives of hybrid methods, is to optimize the computational cost, by simulating certain areas of flows in RANS mode, and in LES mode elsewhere. The latter centres generally around spatial filtering of the studied variables, while RANS corresponds to a temporal average, in most flows. The PITM approach (Partially Integrated Transport Model), developed in homogeneous turbulence, is a theoretically justified hybrid method. Its transposition to the temporal context was done previously, showing that, under certain hypotheses, both spatial and temporal versions are formally identical. The PITM method has however difficulties in controlling the resolution level. This thesis suggests a dynamic approach to fix that point. Secondly, the temporal version of PITM, the T-PITM, is compared to DES (Detached Eddy Simulation), a popular but empirical hybrid method. It is shown that both methods produce similar results, providing DES an indirect theoretical justification. The underlying RANS model is the elliptic blending Reynolds-stress model (EB-RSM), accounting for wall effects, using neither damping functions nor wall laws.En situation industrielle, le calcul des caractéristiques instationnaires et tridimensionnelles d'écoulements complexes, est souvent nécessaire. La simulation des grandes échelles requiert un coût de calcul prohibitif surtout près de parois. L'un des objectifs des méthodes hybrides est d'optimiser le coût de calcul, en simulant certaines zones d'un écoulement en mode RANS et d'autres en mode LES. Cette dernière s'articule en général autour du filtrage spatial, alors que dans la plupart des écoulements, l'opérateur RANS correspond à une moyenne temporelle. L'approche PITM (Partially Integrated Transport Model ), conçue en turbulence homogène, est une méthode hybride justifiée théoriquement. Sa transposition au contexte temporel (turbulence stationnaire) a déjà été explorée précédemment, montrant que, sous certaines hypothèses, les versions spatiale et temporelle sont formellement identiques. La méthode PITM présente toutefois une certaine difficulté à piloter le niveau de résolution. La présente thèse propose une approche dynamique pour corriger ce point. Dans un second temps, la version temporelle du PITM, le T-PITM, est comparée à a DES (Detached Eddy Simulation), une méthode hybride populaire, mais empirique. Il est montre que les deux méthodes produisent des résultats similaires, conférant une justification théorique par procuration, à la DES. Le modèle RANS sous-jacent est la pondération elliptique, permettant la prise en compte des effets induits par une paroi, sans utiliser de fonctions d'amortissement ni de lois de paroi.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocPOITIERS-UFR Sc-Phys.Ingénieur (860622201) / SudocSudocFranceF

Inhomogeneity and anisotrophy effects on the redistribution term in Reynolds-averaged Navier-Stoke modelling

A channel flow DNS database at Reτ = 590 is used to assess the validity of modelling the redistribution term in the Reynolds stress transport equations by elliptic relaxation. The model assumptions are found to be globally consistent with the data. However, the correlation function between the fluctuating velocity and the Laplacian of the pressure gradient, which enters the integral equation of the redistribution term, is shown to be anisotropic. It is elongated in the streamwise direction and strongly asymmetric in the direction normal to the wall, in contrast to the isotropic, exponential model representation used in the original elliptic relaxation model. This discrepancy is the main cause of the slight amplification of the energy redistribution in the log layer as predicted by the elliptic relaxation equation. New formulations of the model are proposed in order to correct this spurious behaviour, by accounting for the rapid variations of the length scale and the asymmetrical shape of the correlation function. These formulations do not rely on the use of so-called ‘wall echo’ correction terms to damp the redistribution. The belief that the damping is due to the wall echo effect is called into question through the present DNS analysis.</jats:p

Modélisation algébrique explicite à pondération elliptique pour les écoulements turbulents en présence de paroi

L'une des difficultés rencontrées dans les écoulements turbulents provient du fait que les statistiques dépendent très fortement de ce qui se passe à proximité des parois. La présence de ces derniers est pour la plupart du temps prise en compte par l'introduction de fonctions d'amortissement dans les équations des modèles. Cette approche particularise d'avantage les modèles et aussi ne favorise pas leur universalité. Le but de cette thèse est de développer des modèles Algébriques Explicites prenant en compte les effets de paroi par l'approche de la pondération elliptique développée par Manceau et Hanjalic, puis de procéder à la validation de ces modèles dans différentes configurations d'écoulements. La méthodologie de la modélisation algébrique explicite consiste à projeter l'équation de tenseur d'anisotropie sur une base convenablement choisie. La théorie des bases d'intégrité permet de déterminer le nombre de tenseurs devant constituer cette base afin d'éviter toute singularité dans les modèles. Dans cette circonstance de nombreux de modèles peuvent alors être développés. La prise en compte de la pondération elliptique à fait apparaître un tenseur supplémentaire M dans les équations en dehors des tenseurs S et W classiquement utilisés. Ce qui d'un côté rend plus complexe le cadre théorique, mais d'un autre côté offre de nombreuses possibilités de modèles approchés utilisables en pratique. Les modèles linéaire et non linéaire développés et testés pour une large gamme de Reynolds en canal, en écoulement de Couette-Poiseuille et en écoulement de couche limite sans cisaillement ont montrés leur capacité à reproduire convenablement l'anisotropie en proche paroi. La limite à deux composantes de la turbulence est préservée. L'extension de ces modèles en 3D a permis de montrer qu'il est possible de représenter correctement l'anisotropie dans un cas 3D en utilisant une base tronquée à trois tenseurs, à condition toutefois de prendre en compte l'intégralité des invariants apparaissant en 3D.One of the difficulties faced in turbulent flows comes from the fact that the statistics are heavily dependent on phenomena occurring in the vicinity of the walls. The presence of walls is usually accounted for by introducing damping functions in the model equations. This approach make the model specific to a particular situation and does not favour their universality. The present thesis aims at developing explicit algebraic models accounting for the wall effects by the elliptic blending approach developed by Manceau and Hanjalic, and at validating them in several flow configurations. The explicit algebraic methodology consists in projecting the anisotropy tensor equation onto a well chosen basis. The theory of the integrity basis enables the determination of the number of basis tensors necessary to avoid singularities in the model. Under this circumstance many models can be developed. Due to the accounting of the elliptic blending, an new tensor M appears in the equations in addition to the standard S and W tensors, which, on the one hand, makes the theoretical framework more complex, but on the other hand, provides numerous possibilities of approximate models of practical interest. The linear and nonlinear models, validated in channel flow for a wide range of Reynolds numbers, in Couette-Poiseuille flow and in a shearless boundary layer, proved capable of correctly reproducing the near-wall anisotropy. The two-component limit is preserved. The extension of these models to 3D showed the possibility to represent correctly the anisotropy in a 3D case by using a 3-tensor truncated basis, provided that the complete set of invariants appearing in 3D are accounted for.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

CFD STUDY OF THERMOCLINE FORMATION IN STRATIFIED WATER STORAGE: CONSIDERATION OF A SECOND-ORDER BOUSSINESQ APPROXIMATION TO MODEL BUOYANCY EFFECTS AND ITS APPLICATION TO ASSESS THE IMPACT OF OPERATING CONDITIONS

International audienceThermal storages are components used in energy systems, such as district heating networks or thermal power plants, in order to decouple the supply of heat from its use. Usage rate of monophasic thermocline storages is highly dependent on the thermal gradient zone inside the fluid, also named thermocline. While thermal stratification results of a formation phase followed by a degradation phase, the early stages of thermocline establishment is primarily responsible for its thickness. CFD allow to consider the multiple physical phenomena involved during the thermocline formation, in particular the buoyancy effects. These effects are usually considered by selecting either a variable density with respect to the temperature or a constant one by using the commonly used (first-order) Boussinesq approximation. However, the former approach implies an increased computational cost, and the latter is only valid for an unclear validity range of temperature difference. Hence, this article suggests the use of a second-order Boussinesq approximation, coupled with a RANS turbulence approach, to better account for buoyancy effects in a turbulent water flow submitted to a large temperature differences. CFD results obtained with a quadratic Boussinesq approximation are similar to the one obtained with a variable density but with a computation time reduced by half. This approach is applied to the issue of reducing the thermocline thickness during its creation and the impact of linear flow rate ramps is assessed on both a uniform and initially stratified storage. On an initially cold tank, results show that the longer the ramp time, the thinner the thermocline. In contrast, on the initially stratified tank tested, a gradual injection shows no significant reduction of the thermocline thickness. This can be relevant when performing storage management enhancement