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Thèse Année : 2023

An improved immersed boundary method for the simulation of compressible turbulent flows around complex geometries

Amélioration d’une méthode de frontières immergées pour la simulation d’écoulements turbulents autour de géométries complexes

Benjamin Constant
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1266497
  • IdRef : 270816828

Résumé

This thesis focuses on the numerical simulation of compressible turbulent flows around complex geometries. For canonical CFD workflows, the mesh generation step tends to be the major bottleneck for automated processes, and a significant challenge for the aerospace industry. For realistic configurations with numerous geometrical complexities, body-fitted mesh generation may require the dedicated intervention of an expert for several weeks, while the computational time required for RANS-type simulations is on the order of a day. As such, for several years ONERA has been developing an immersed boundary method (IBM) which circumvents the need for body-fitted meshes. This approach relies on an automatic and efficient generation of Cartesian meshes, and explicitly forces the flow solution at the center of the cells located near the immersed geometry. The simulation of high Reynolds number flows also requires the use of wall models to restrict the size of the Cartesian mesh. This method has been proven to be particularly efficient to perform RANS simulations around preliminary designs of complex configurations, offering a good compromise between the computational time and the quality of the solution. However, the accuracy of the skin coefficients still needs to be improved to ensure a detailed quantitative analysis of the physical phenomena occurring within the turbulent boundary layer. The main objective of this thesis is to improve the robustness and the accuracy of the immersed boundary method developed by Péron et al.. and make it a viable alternative to classical structured approaches. To that end, we propose an innovative method for the optimal positioning of the forcing points around the immersed geometry, based on various geometrical and physical criteria. These developments eliminate the spurious oscillations that can occur in the vicinity of the wall and improve the near-field integration of the aerodynamic forces. The latter part of this work consists in extending our near-wall modeling by taking into account external pressure gradient effects, without compromising the overall stability of the current approach. Lastly, these developments are applied to various 2D academic test-cases and two 3D industrial application cases (an aerostat and an aircraft in a high-lift configuration) at high Reynolds numbers and for both subsonic and transonic flow regimes.
Ce sujet de thèse concerne la simulation numérique d’écoulements turbulents compressibles autour de géométries complexes. Au coeur de la chaîne de simulation numérique, l’étape de génération de maillage est aujourd’hui le principal goulet d’étranglement d’un processus de plus en plus automatisé, et constitue un défi d’ampleur pour l’industrie aérospatiale. Pour des configurations réalistes présentant de nombreux détails géométriques complexes, cette étape peut ainsi requérir l’intervention manuelle d’un expert pour plusieurs semaines, contre des temps de calcul de l’ordre de la journée pour des simulations de type RANS. Pour cette raison, l’ONERA développe depuis plusieurs années une méthode de frontières immergées (IBM) pour s’affranchir de la génération d’un maillage conforme aux obstacles. Cette approche s’appuie sur une méthode de génération automatique et rapide de maillages cartésiens multi-blocs, et consiste à forcer explicitement la solution fluide au centre des cellules positionnées à proximité de l’obstacle immergé. Un modèle de paroi est également pris en compte pour les simulations d’écoulements à grand nombre de Reynolds, afin d’éviter un surcoût trop important lié aux nombres de mailles cartésiennes nécessaires à la résolution de la couche limite turbulente par le maillage seul. Cette méthode s’avère particulièrement efficace pour effectuer des calculs RANS autour de configurations de type avant-projet, où elle offre un bon compromis entre temps de calcul et qualité de la solution. Cependant, la capture des coefficients pariétaux doit encore être améliorée, pour permettre une analyse quantitative fine des phénomènes physiques intervenant au sein de la couche limite turbulente. Ces travaux de thèse ont pour principal objectif d’améliorer la robustesse et la précision de la méthode de frontière immergée développée par Péron et al., afin de démontrer que celle-ci peut être une alternative viable aux approches structurées classiques. Pour ce faire, nous proposons une méthode innovante, basée sur un positionnement optimal des points à forcer autour de la géométrie immergée selon différents critères géométriques et physiques. Ces développements visent à éliminer les oscillations parasites pouvant intervenir au voisinage de la paroi, et à améliorer l’intégration champ-proche des efforts aérodynamiques. La seconde partie de ces travaux consiste à étendre notre modélisation proche paroi à partir de l’intégration des effets de gradients de pression extérieurs, sans compromettre la stabilité globale de l’approche. Nos développements sont finalement étudiés pour différents cas-tests académiques 2D et deux cas d’applications 3D (un aérostat et un avion en configuration high-lift), pour des nombres de Reynolds de l’ordre du million et pour des nombres de Mach caractéristiques des régimes subsoniques et transsoniques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04146884 , version 1 (30-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04146884 , version 1

Citer

Benjamin Constant. Amélioration d’une méthode de frontières immergées pour la simulation d’écoulements turbulents autour de géométries complexes. Analyse numérique [math.NA]. Université de Bordeaux, 2023. Français. ⟨NNT : 2023BORD0065⟩. ⟨tel-04146884⟩
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