MODELISATION DE LA TURBULENCE DANS UN SYSTEME DE TAYLOR-COUETTE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFE AVEC FLUX AXIAL

International audienceOn considère les écoulements turbulents de Taylor-Couette soumis à un flux axial et à des gradients thermiques. L'approche numérique est basée sur le modèle RSM d'Elena et Schiestel (1996) déjà validé dans le cas de cavités rotor-stator avec flux et gradients thermiques (Poncet et Schiestel 2007). Il est appliqué ici pour une large gamme de nombres de Reynolds et de Prandtl et de coefficient de débit dans une cavité fortement allongée (rapport d'aspect L=0.013) et des écarts de température allant jusqu'à 84 K. Des corrélations pour les coefficients de transferts le long des cylindres sont dégagées en fonction des paramètres de contrôle

Simulation numérique d'un écoulement de convection mixte en aval d'une marche

International audienceDes expériences numériques d'un écoulement en aval d'une marche horizontale sont menées en régime laminaire instationnaire, afin d'étudier les mécanismes thermodynamiques générés par la convection mixte dans un canal bidimensionnel de géométrie fixe. On se propose de quantifier l'influence de divers écarts de température dT entre la température de la base du canal et la température du fluide entrant. En analysant l'évolution temporelle de la température, on constate que l'écoulement est stationnaire lorsque dT est inférieur à 4 K, puis est périodique aux alentours de 5 K. Au-delà de cette valeur, le signal temporel de la température montre un comportement apériodique

Simulation of fish escape and swimming toward a predefined goal

We present an immersed boundary method for numerical simulation of a swimming fish. The vorticity transport equation is solved on a Cartesian grid using compact finite dif- ferences. A Lagrangian structured grid defines the fish body and is moving in the surrounding incompressible flow due to the exerted hydrodynamic forces and the torque. An efficient law determining the curvature of a swimming fish is presented which is based on the geometrically exact theory of nonlinear beams and quaternions. Validation of the solver shows the efficiency and expected accuracy of the algorithm for swimming fish simulations. The structure of the wake of a swimming fish is studied, and some common features with the wake of a flapping plate are demonstrated

Simulation of forced deformable bodies interacting with two-dimensional incompressible flows: Application to fish-like swimming

International audienceWe present an efficient algorithm for simulation of deformable bodies interacting with two-dimensional incompressible flows. The temporal and spatial discretizations of the Navier-Stokes equations in vorticity stream-function formulation are based on classical fourth-order Runge-Kutta and compact finite differences, respectively. Using a uniform Cartesian grid we benefit from the advantage of a new fourth-order direct solver for the Poisson equation to ensure the incompressibility constraint down to machine zero. For introducing a deformable body in fluid flow, the volume penalization method is used. A Lagrangian structured grid with prescribed motion covers the deformable body interacting with the surrounding fluid due to the hydrodynamic forces and moment calculated on the Eulerian reference grid. An efficient law for curvature control of an anguilliform fish, swimming to a prescribed goal, is proposed. Validation of the developed method shows the efficiency and expected accuracy of the algorithm for fish-like swimming and also for a variety of fluid/solid interaction problems

High-order Large Eddy Simulations of Confined Rotor-Stator Flows

International audienceIn many engineering and industrial applications, the investigation of rotating turbulent flow is of great interest. In rotor-stator cavities, the centrifugal and Coriolis forces have a strong influence on the turbulence by producing a secondary flow in the meridian plane composed of two thin boundary layers along the disks separated by a non-viscous geostrophic core. Most numerical simulations have been performed using RANS and URANS modelling, and very few investigations have been performed using LES. This paper reports on quantitative comparisons of two high-order LES methods to predict a turbulent rotor-stator flow at the rotational Reynolds number Re=400000. The classical dynamic Smagorinsky model for the subgrid-scale stress (Germano et al., Phys Fluids A 3(7):1760-1765, 1991) is compared to a spectral vanishing viscosity technique (Séverac & Serre, J Comp Phys 226(2):1234-1255, 2007). Numerical results include both instantaneous data and postprocessed statistics. The results show that both LES methods are able to accurately describe the unsteady flow structures and to satisfactorily predict mean velocities as well as Reynolds stress tensor components. A slight advantage is given to the spectral SVV approach in terms of accuracy and CPU cost. The strong improvements obtained in the present results with respect to RANS results confirm that LES is the appropriate level of modelling for flows in which fully turbulent and transition regimes are involved

Turbulent Couette-Taylor flows with endwall effects: a numerical benchmark

International audienceThe accurate prediction of fluid flow within rotating systems has a primary role for the reliability and performance of rotating machineries. The selection of a suitable model to account for the effects of turbulence on such complex flows remains an open issue in the literature. This paper reports a numerical benchmark of different approaches available within commercial CFD solvers together with results obtained by means of in-house developed or open-source available research codes exploiting a suitable Reynolds Stress Model (RSM) closure, Large Eddy Simulation (LES) and a direct numerical simulation (DNS). The predictions are compared to the experimental data of Burin et al. (2010) in an original enclosed Couette-Taylor apparatus with endcap rings. The results are discussed in details for both the mean and turbulent fields. A particular attention has been turned to the scaling of the turbulent angular momentum G with the Reynolds number Re. By DNS, G is found to be proportional to Rea, the exponent a = 1.9 being constant in our case for the whole range of Reynolds numbers. Most of the approaches predict quite well the good trends apart from the k-w SST model, which provides relatively poor agreement with the experiments even for the mean tangential velocity profile. Among the RANS models, even though no approach appears to be fully satisfactory, the RSM closure offers the best overall agreement

Instabilities and small-scale waves within the Stewartson layers of a thermally driven rotating annulus

International audienceWe report on small-scale instabilities in a thermally driven rotating annulus filled with a liquid with moderate Prandtl number. The study is based on direct numerical simulations and an accompanying laboratory experiment. The computations are performed independently with two different flow solvers, that is, first, the non-oscillatory forward-in-time differencing flow solver EULAG and, second, a higher-order finite-difference compact scheme (HOC). Both branches consistently show the occurrence of small-scale patterns at both vertical sidewalls in the Stewartson layers of the annulus. Small-scale flow structures are known to exist at the inner sidewall. In contrast, short-period waves at the outer sidewall have not yet been reported. The physical mechanisms that possibly trigger these patterns are discussed. We also debate whether these small-scale structures are a gravity wave signal

Simulations numériques directes d'écoulements turbulents dans un compresseur haute-pression simplifié

Le refroidissement des organes constituant une turbine à gaz est assuré par les transferts thermiques générés par un écoulement d'air froid le long des parois. Ce refroidissement joue un rôle primordial pour la sécurité et a un impact écologique non négligeable. L'objectif est d'étudier les caractéristiques de l'écoulement turbulent assurant le refroidissement au sein d'un compresseur haute-pression par simulation numérique directe. On se focalise ici, en tant qu'étape préliminaire au problème complet, à un écoulement isotherme dans un compresseur simplifié caractérisé par un rapport d'aspect G=0.53 et un rapport des rayons a/b=0,1. Le nombre de Reynolds est fixé à Re=5300, tandis que pour étudier l'influence de la rotation, cinq nombres de Rossby sont considérés : Ro= 1 ; 2 ; 4 ; 40 et +∞. La méthode numérique permet de résoudre les équations de Navier-Stokes en coordonnées cylindriques. La singularité à l'axe est traitée par une méthode basée sur les propriétés particulières dans l'espace de Fourier d'un vecteur ou d'un scalaire. La modélisation du compresseur simplifié est rendue possible par l'utilisation d'une méthode de projection multidomaine. La précision de la méthode numérique a été vérifiée avec des solutions analytiques. Le code a aussi été validé sur des configurations tests telles que des écoulements d'éclatement tourbillonnaire dans une cuve cylindrique ou un écoulement turbulent en conduite cylindrique. Dans un étage de compresseur, l'écoulement axial s'étend dans la cavité et impacte le disque aval. Un jet de paroi se forme alors et génère un tourbillon toroïdal au sein de la cavité. A la sortie de la cavité, l'écoulement est localement accéléré et une recirculation apparait à proximité du coin formé par le disque et la conduite avale. Au centre de la cavité, l'écoulement présente un comportement similaire à un jet : l'instabilité de la couche de cisaillement génère des structures hélicoïdales tandis que des structures axiales s'enroulent autour de ces dernières. La rotation a pour effet de perturber l'écoulement axial, de modifier son comportement et d'atténuer l'écoulement secondaire formé par le tourbillon dans la cavité. L'écoulement est alors caractérisé par le nombre de régime d'éclatement tourbillonnaire. Ils peuvent être axisymétriques (mode 2) ou non-axisymétriques (mode 1). Pour un nombre de Rossby égal à Ro=40, l'écoulement est caractérisé par un éclatement tourbillonnaire non-axisymétrique. Une oscillation occasionnelle de l'écoulement axial et un éclatement tourbillonnaire axisymétrique ont été observés pour Ro=4. Ce comportement est typique du mode 2a. Une augmentation de la rotation (Ro=2) a permis de mettre en évidence un effet de flamme vacillante correspondant au mode 1b. A Ro=1, l'écoulement retrouve son caractère axisymétrique