DS0205 - Efficacité énergétique des procédés et des systèmes

Méthodes d'ordre élevée pour la simulation aux grandes échelles des écoulements dans les systèmes énergétiques – ANVES

Méthodes de haute précision pour la simulation des grandes échelles d’écoulements turbulents autour de géométries complexes.

La simulation précise des écoulements à haut nombre de Reynolds d’intérêt industriel requiert le développement de méthodes numériques de haute précision couplées aux modélisations de type LES (Large-Eddy Simulation). Le projet ANVES est centré sur le développement d’une plateforme numérique d’ordre élevé intégrant des modèles LES performants et précis adaptés aux maillages non-structurés.

Développement de modèles LES adaptés aux méthodes numériques de dernière génération.

Le projet ANVES vise à développer des modèles LES avancés pour les méthodes d’éléments finis discontinus (DFE) prenant en compte les maillages non-structurés. <br />Le projet a pour objectifs principaux le développement (a) de modèles LES basés sur des opérateurs sélectifs dans l’espace spectral ou modal, (b) d’opérateurs de filtrage d’ordre élevé à longueur de coupure spécifique permettant l’implémentation de modèles de similarité d’échelle mixtes et (c) d’algorithmes dynamiques pour la LES d’écoulements en transition (incluant la modélisation de paroi pour les couches limites en transition).

Les méthodes de type Spectral Difference (SD), appartenant à la famille des méthodes DFE d’ordre élevé, permettent la simulation précise d’écoulements autour de géométries complexes tout en maintenant une dissipation numérique et une complexité algorithmique minimales, ainsi qu’une excellente efficacité parallèle. La première étude réalisée dans le cadre du projet ANVES à permis de souligner l’intérêt de la méthode SD d’ordre élevé pour la représentation précise des phénomènes turbulents (en particulier les écoulements en transition et la turbulence de proche-paroi). Cette étude a également montré la nécessité de combiner cette approche à des modélisations LES dynamiques activant une dissipation sous-maille dans les régions sous-résolues pour obtenir des résultats physiquement admissibles concernant la turbulence pleinement développée.
Ce type de modèle a été conçu dans l’idée d’injecter un montant de dissipation adéquat et dépendant en particulier de l’ordre de précision du calcul et du pas de maillage.

Un nouveau modèle LES dynamique, nommé SEDM (pour Spectral-Element Dynamic Model), a été développé. Ce modèle est pensé pour les méthodes de type DFE et permet d’adapter localement l’intensité de la dissipation sous-maille à l’aide d’un “senseur de turbulence”. Ce senseur — construit à partir de l’évaluation de la décroissance énergétique des spectres calculés dans l’espace des polynômes de Legendre dans chaque maille — permet de quantifier le niveau local de résolution. Le senseur est couplé à une expression simple de la viscosité turbulente calibrée pour fournir le bon niveau de dissipation sous-maille dans le cadre d’une turbulence développée à haut nombre de Reynolds. Cette approche est relativement simple comparativement aux autres modèles dynamiques, car ne requiert ni filtrage explicite, ni procédure de régularisation ou de clipping pour obtenir des calculs robustes. Le modèle a été évalué et validé à partir d’écoulements turbulents canoniques (turbulence homogène isotrope et canal plan).
L’approche SEDM détecte le niveau de résolution du calcul et est donc sensible à la dissipation numérique des schémas. Nous avons observé en particulier que le modèle introduit un niveau de dissipation complémentaire à la dissipation numérique. Le formalisme du modèle SEDM le rend applicable à une large gamme de méthodes DFE. Un large impact est donc attendu dans la communauté scientifique et les partenaires industriels intéressés par ce type de méthodes.

Le modèle SEDM est particulièrement performant dans le cadre d’écoulements transitionnels, du fait de sa capacité à réduire voire annuler les contraintes sous-maille dans les régions laminaires ou bien résolues. L’évaluation du modèle pour la représentation de couches limites turbulentes en transition apparaît donc comme une extension naturelle de son domaine d’application. De plus, il paraît envisageable d’utiliser le senseur SEDM pour définir des régions avec modélisation de paroi quand la résolution devient très insuffisante. Ces deux approches sont actuellement en cours d’étude.

Les travaux actuels ont mené à la publication de deux articles dans des journaux à comité de lecture internationaux (Computers and Fluids et Journal of Computational Physics) ainsi qu’à la soumissions de deux abstracts acceptés à la conférence ETMM-11 ERC

L'objectif de ce projet est le développement de méthodes numériques d'ordre élevées pour la simulation des écoulements turbulents dans des géométries complexes. Le contexte est celui des méthodes éléments finis discontinus appliqués a la simulation aux grandes échelles. Ces méthodes permettent d'envisager la simulation numériques d'écoulements turbulents confinés en préservant un ordre donne de précision de la méthode quelque soit le maillage et la géométrie. Des efforts particuliers seront fait pour developer des opérateurs de dissipation sélective dédiés à l’utilisation d’un modèle de similarité mixte et au couplage d’une description affinée des écoulements en région de proche paroi avec la simulation des grandes échelles non stationnaires. Des opérateurs de filtrage spécifiques seront développés pour ces méthodes d'ordre élevé, couplées aux modélisation de sous-maille a filtrage explicite.

Coordinateur du projet

Monsieur Guido Lodato (Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aerothermochimie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CORIA Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aerothermochimie

Aide de l'ANR 129 428 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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