Modèles pour l'aérodynamique et l'énergétique

Métrologie et modélisation de la turbulence thermique

Ce projet (M2T2) s'inscrit dans la continuité du projet de recherche Onera "Mesure et Modélisation Numérique de la Turbulence" (M2NT).

Il a pour thème central la turbulence thermique pour laquelle les travaux menés dans le cadre du projet M2NT laissaient entrevoir des avancées proches tant dans le domaine de la métrologie (mesure des corrélations vitesse/température) que dans le domaine de la modélisation et celui des données de référence, domaine dans lequel on déplore un net manque de données expérimentales pour calibrer et valider les modèles.

Ce projet fédère au sein de l'Onera les activités des départements d'Aérodynamique Appliquée (DAAP), d'Energétique Fondamentale et Appliquée (DEFA), Modèles pour l'Aérodynamique et l'Energétique (DMAE) et Mesures Physiques (DMPH).

Les travaux menés dans le cadre de ce projet s'articulent donc autour de quatre types d'activité :

• Développement, comparaison et validation de moyens de mesure thermique et, en particulier des corrélations vitesse/température. Le produit final sera la maîtrise par l'Onera de moyens métrologiques nouveaux.

• Développement et validation de modèles de turbulence thermique. Le produit final sera de nouveaux modèles de turbulence prenant en compte les effets thermiques de façon plus fine qu'en imposant un nombre de Prandtl turbulent constant et donc applicables à une plus grande classe d'écoulements, modèles implantés et validés dans les codes de l'Onera.

• Réalisation de deux expériences de base, l'une en écoulement libre (jet) et l'autre avec effet de paroi (couche limite). L'expérience de jet permet de comparer et de valider les différents moyens de mesures thermiques, les deux expériences permettent de valider les modèles développés. De plus, vu le manque de données dans le domaine thermique, ces deux expériences devraient constituer des références par la suite.

• Afin de réaliser ces deux expériences, finalisation des études précédemment menées dans le cadre de M2NT sur l'amélioration de la métrologie en vélocimétrie laser. Le produit final sera un logiciel de post-traitement des signaux laser intégrant les différents outils développés.

Ces travaux sur la turbulence thermique se placent à un moment où il y a une demande industrielle forte dans le domaine de la thermique. Les travaux menés dans le cadre du projet se placent en amont des demandes industrielles et permettront par la suite d'apporter de nouvelles réponses aux demandes des industriels.

Les objectifs du projet sont :

• améliorer la qualité (et la confiance en) des mesures par vélocimétrie laser et de disposer d'un logiciel regroupant les différents savoir-faire développés à l'Onera pour traiter les signaux issus d'un vélocimètre.

• développer et valider des techniques de mesure des flux de chaleur turbulents.

• développer, valider et implanter dans des codes de calcul de l'Onera des modèles de turbulence pour les écoulements avec transfert de chaleur,

• acquérir des données de référence, d'abord pour un jet chaud et ensuite pour une couche limite sur paroi chauffée.

Le projet M2T2 permettra à l'Onera de faire des avancées notables en métrologie et dans le domaine des outils de simulation.

Dans le domaine métrologique, il permettra dans un premier temps de finaliser et synthétiser les travaux sur le post-traitement des signaux issus d'un anémomètre laser, travaux engagés dans le cadre du précédent projet, afin de disposer d'un logiciel de post-traitement accessible à toutes les équipes expérimentales à l'Onera. Mais surtout, il permettra d'acquérir des compétences en métrologie des grandeurs thermiques dans le champ, grandeurs qui ne sont actuellement pas mesurées dans les expériences menées l'Onera alors qu'elles fourniraient des informations sur les transferts de chaleur au sein de l'écoulement et permettraient parfois d'expliquer des désaccords calcul/expérience.

Dans le domaine de la prévision numérique, les modèles de turbulence actuellement implantés dans les codes de l'Office utilisent tous l'hypothèse d'un nombre de Prandtl turbulent constant ou un modèle algébrique thermique simple. Si cette hypothèse est assez bien vérifiée pour un écoulement donné, il y a cependant de très fortes variations du nombre de Prandtl turbulent d'un type d'écoulement à l'autre (0,5 dans un jet, 0,9 dans une couche limite…). Ce projet permettra de développer et d'implanter dans les codes de l'Onera des modèles de turbulence reproduisant ces variations du nombre de Prandtl turbulent et reproduisant ainsi mieux des écoulements dans lesquels plusieurs types d'écoulements coexistent.

Ainsi, M2T2 permettra de renforcer la position de leader de l'Onera dans le domaine de la turbulence thermique, aussi bien en métrologie qu'en modélisation.

Enfin, M2T2 est un cadre privilégié pour faire travailler ensemble au sein de l'Onera expérimentateurs, modeleurs et numériciens, qui sinon travaillent dans des domaines proches mais avec peu d'échanges.

Le projet est subdivisé en trois thèmes, chaque thème comportant trois ou quatre actions différentes et concertées.

Le premier thème est consacré aux développements en métrologie. Il inclut la finalisation des travaux menés dans le cadre du précédent projet sur la vélocimétrie laser, travaux qui seront utilisés dans ce projet mais la majeure partie est consacrée aux travaux sur la mesure des fluctuations de température et des corrélations vitesse/température.

Le second thème porte sur la réalisation, en utilisant les moyens métrologiques, développés ou validés dans le thème précédent, de bases de données expérimentales permettant de valider les modèles de turbulence.

Enfin, le dernier thème est la modélisation, comportant le travail amont de développement des modèles et leur validation dans des codes simples (solutions de similitude et codes paraboliques) puis leur implantation et validation dans des codes résolvant les équations de Navier-Stokes.

Mis à jour le 6 juillet 2005 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation