Modélisation des écoulements turbulents de gaz dense à l'aide de la simulation aux grandes échelles – EDGES

Ce projet Jeunes Chercheuses et Jeunes Chercheurs (JCJC) se propose d'introduire la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents de gaz denses associés aux Cycles de Rankine Organique (ORC).
Aucune étude antérieure se s'est concentrée sur la précision et la pertinence des modèles actuels de sous-maille (SGE) ou statistiques (Reynolds Averaged Navier-Stokes ou RANS) dans le contexte des écoulements turbulents de gaz denses. Ce projet propose donc:

(i) d'utiliser la Simulation Numérique Directe (SND) pour construire une base de données d'écoulements turbulents de gaz denses.
Les propriétés statistiques de la turbulence varient d'un écoulement turbulent à l'autre. Dans ce projet, on analysera la turbulence en utilisant la Simulation Numérique Directe (DNS) dans plusieurs types d'écoulements académiques tels que la Turbulence Homogène Isotrope en Décroissance (THID), la Turbulence Homogène Isotrope Forcée (THIF), la couche de cisaillement et l'écoulement en conduite.

(ii) de vérifier "a-priori" la précision des modèles actuels de fermeture SGE et RANS.
Pour la SGE compressible, Martin et al.(2000) identifient six termes de sous-maille dans les gaz parfaits : le tenseur des contraintes, le flux de chaleur, la correlation pression-dilatation, la dissipation visqueuse, la diffusion turbulente et la diffusion visqueuse. Ces termes de fermeture ont été modélisés par plusieurs auteurs et l'équipe de recherche devra (a) identifier parmi ces modèles les plus pertinents pour les méthodes SGE et RANS et (b) tester leur précision par comparaison avec les résultats issus de la base de données SND.

(iii) de développer de nouveaux modèles de turbulence pour les approches SGE et RANS.
Une stratégie sera mise en oeuvre pour améliorer la modélisation de la turbulence dans les écoulements de gaz denses. Celle-ci s'appuiera sur les notions d'Estimateur Optimal et de Quantification des Incertitudes.
--La notion d'Estimateur Optimal permettra de déterminer, parmi l'ensemble des variables disponibles dans les résultats SGE ou RANS, celles qui devront être utilisées pour former le meilleur modèle de turbulence à la fois en terme d'erreur structurelle et fonctionnelle.
--La Quantification des Incertitudes permettra de déterminer la sensibilité du résultat final à la variance des constantes du modèle. Elle permettra ainsi de développer des modèles de turbulence précis mais également robustes.

(iv) de vérifier "a-posteriori" la pertinence de ces nouveaux modèles de fermeture dans le cas d'un étage complet de turbine ORC en utilisant les capacités de Calcul Haute Performance (HPC) pour réaliser des simulations SGE et RANS instationnaires.
Les structures turbulentes créées à toutes les échelles sont directement reliées aux mécanismes de pertes dans les turbines ORC. En utilisant les mêmes cas-tests que Dura Galiana et al. (2015), l'équipe de recherche comparera les résultats expérimentaux à ceux obtenus à l'aide des modèles de turbulence développés au cours du projet EDGES. Un étage complet de turbine radiale ORC sera ensuite étudié pour analyser l'influence globale de ces nouveaux modèles de turbulence sur les pertes dans l'étage ainsi que sur son rendement.

(v) de tisser des liens avec des équipes de recherche expérimentale travaillant sur les gaz denses afin de valider plus avant les modèles nouvellement développés ; de favoriser la mise en oeuvre de nouvelles collaborations avec des partenaires industriels et ainsi disséminer les résultats du projet EDGES auprès de l'industrie.
L'équipe de recherche communiquera les résultats du projet auprès de la communauté de recherche expérimentale pour favoriser de nouvelles collaborations à long terme. Dans la communauté industrielle, les nouveaux modèles (en particulier RANS) pourraient être mis en oeuvre et servir à l'amélioration et le développement de nouveaux systèmes de détente pour les écoulement de gaz denses dans les ORC.