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DMAE - Modèles pour l'aérodynamique et l'énergétique

Modélisation de la turbulence

Simulation instationnaire d’un jet chaud débouchant d’une paroi dans un écoulement transverse froid à basse vitesse. Code elsA. Modèle SAS-αL Visualisation des structures turbulentes(critère Q coloré par la température)
Simulation instationnaire d’un jet chaud débouchant d’une paroi dans un écoulement transverse froid à basse vitesse. Code elsA. Modèle SAS-αL
Visualisation des structures turbulentes(critère Q coloré par la température)


Même cas de calcul. Visualisation de la température dans le plan de symétrie du jet.
Même cas de calcul. Visualisation de la température dans le plan de symétrie du jet.

L’activité dans le domaine de la modélisation de la turbulence comporte quatre aspects :

  • L’étude des performances des modèles dans différentes configurations pratiques (avion complet avec voilure en configuration hypersustentée, jet de réacteur double flux en interaction avec le mât, profil en décrochage instationnaire, sortie d’air chaud sur nacelle, écoulement autour d’une conduite chauffée) pour d’une part identifier leurs forces et leurs faiblesses et d’autre part dégager les contraintes à imposer aux modèles pour les améliorer
  • La construction de bases de données expérimentales permettant ces validations en utilisant les moyens de recherche du DMAE (souffleries de recherche) mais aussi la soufflerie F2 du centre du Fauga-Mauzac et les autres souffleries de l’ONERA (DAFE, GMT,...)
  • Le développement de nouveaux modèles décrivant mieux la physique, en s’appuyant sur les outils mathématiques disponibles et les contraintes déduites des phénomènes physiques observées. Une autre contrainte importante pour les modèles est leur stabilité numérique. Enfin, selon les applications recherchées, des modèles plus ou moins complexes, et coûteux, sont recherchés. Ces modèles sont d’abord testés au DMAE dans des configurations simples
  • L’implantation de ces modèles dans les grands logiciels de l’Onera (elsA, Cèdre) en collaboration avec le département de simulation numérique DSNA pour d’une part étudier leurs performances dans des situations complexes et d’autre part assurer leur diffusion aux autres Départements de l’Onera et à l’industrie aéronautique. L’exploitation systématique des modèles implantés dans les grands codes est effectuée par d’autres départements de l’Office en charge d’études à caractère applicatif (DAAP, DEFA...)

Un atout majeur du DMAE est de faire travailler ensemble des chercheurs actifs dans un ou plusieurs de ces quatre domaines.

La tendance est d’abandonner les modèles à viscosité turbulente classiquement utilisés dans les grands logiciels, ces modèles reliant de façon linéaire les tensions turbulentes aux gradients du champ de vitesse moyenne et n’étant pas adaptés pour traiter des écoulements complexes. On s’intéresse donc principalement à des modèles non-linéaires ainsi qu’à la résolution des équations de transport pour les tensions turbulentes.

Pour la partie thermique, l’essentiel des modèles repose sur la notion de conductibilité thermique turbulente et d’un nombre de Prandtl turbulent constant, ce qui permet de relier linéairement le flux de chaleur turbulent apparent au gradient de température. Cette notion simple ne permet pas toujours de représenter correctement les effets thermiques dans un écoulement et à la paroi. Aussi s’intéresse-t-on à des modèles non-linéaires qui désalignent le flux de chaleur turbulent et le gradient de température et s’affranchissent de la notion de nombre de Prandtl turbulent constant.

Le DMAE s’intéresse aussi aux approches résolvant la turbulence telles que la LES (Large Eddy Simulation) ou les approches combinant la LES et la résolution classique moyennée par équations de transport, dites méthodes hybrides RANS/LES, telles que la DES (Detached Eddy Simulation). D’autres approches intermédiaires sont étudiées, telle que la SAS (Scale Adaptive Simulation), qui relèvent plus de méthodes URANS avancées où les équations de transport sont modifiées par des termes sources permettant aux instabilités inhérentes à un écoulement de se développer. Ces dernières méthodes sont d’un usage plus simple que la LES ou la DES mais sont principalement destinées aux écoulements massivement décollés. Une amélioration de l’approche SAS a notamment été développée permettant de mieux prévoir les instabilités au sein d’une couche de mélange.

Certains travaux sont menés en coopération avec les industriels du secteur aérospatial, avec les équipes de recherche françaises travaillant dans le domaine de la turbulence ou avec des partenaires étrangers, dans le cadre de contrats européens.

Simulation RANS d’un jet de réacteur double flux. Code elsA. Modèle aux tensions de Reynolds SSG-ω
Simulation RANS d’un jet de réacteur double flux. Code elsA.
Modèle aux tensions de Reynolds SSG-ω

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