Hybrid Eulerian-Lagrangian Method for Complex 3D Viscous Flows
Méthode Hybride Euérienne-Lagrangienne pour la simulation d’écoulement 3D visqueux
Résumé
The Vortex Particle Method (VPM) is used to represent incompressible and viscous flow fields with the help of small particles of vorticity. This method is especially convenient for simulating the transport and decay of vortex structures in the wake as well as flow mixing but behaves poorly when interacting with solid boundaries. Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) are amongst the high-fidelity methods particularly well adapted for accurate prediction of turbulent boundary-layer. However, URANS simulations are prone to numerical dissipation and can become computationally expensive for the accurate prediction of complex configurations involving multiple flow interactions for large time and space scales. This study aims to provide a multi-fidelity aerodynamic method based on the hybridization of the Lagrangian VPM for the far field flow and the Eulerian URANS solver for the near-wall flow. The Hybrid method is first validated on the flow around a sphere to observe its capacity to properly generate and transfer vortex structures between the Eulerian and Lagrangian Domains. The simulation of a high Reynolds configuration is eventually shown using the case of a wing in an unbounded flow, which provides with an accurate flow solution with reduced computational cost compared to classical fully Eulerian methods.
La Vortex Particle Method (VPM) est utilisée afin de représenter des écoulements incompressibles et visqueux à l'aide de petites particules de vorticité. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation du transport et de la diffusion de structures tourbillonaires dans le sillage, ainsi qu'à l'interaction entre différents écoulements. Cependant, cette dernière réagit mal à la présence de parois solides. Les méthodes hautes-fidélités Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) sont particulièrement bien adaptées à la simulation des couches limites. Cependant, les simulations URANS sont enclines à la dissipation numérique et peuvent devenir numériquement coûteuses pour la résolution haute-fidélité de configurations complexes impliquant de multiples interactions fluides, et ce à des échelles de temps et d'espace importantes. Cette étude vise à fournir une méthode aérodynamique multi-fidélité fondée sur l'hybridation de la VPM Lagrangienne pour l'écoulement lointain, et le solveur URANS Eulérien pour l'écoulement proche corps. La méthode Hybride est d'abords validée sur l'écoulement autours d'une sphère afin d'observer sa capacité à correctement générer and transférer les structures tourbillonaires entre les domaines Eulérien et Lagrangien. Enfin, la simulation d'une configuration à haut Reynolds est est montrée avec le cas d'une aile dans un écoulement libre. Ce cas fournit une solution précise de l'écoulement à un coût numérique réduit par rapport aux méthodes Eulériennes classiques.