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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire

  • exposé


Thèse En vue de l'obtention du Doctorat de l'Université de Toulouse Délivré par: L'Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité: Dynamique des Fluides Présentée et soutenue par: Julien Bodart Le: 21/12/2009 Effet de blocage dans un écoulement turbulent non cisaillé Jury J.-B. Cazalbou Professeur à l'ISAE, Toulouse Directeur de thèse R. Friedrich Professeur à l'Université Technique de Munich Examinateur L. Joly Professeur à l'ISAE, Toulouse Directeur de thèse E. Lamballais Professeur à l'Université de Poitiers Rapporteur J. Magnaudet Directeur de recherche CNRS, IMFT, Toulouse Examinateur M. Stanislas Professeur à l'ECL, Lille Rapporteur École doctorale: Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Procédés Unité de recherche: Département Aérodynamique, Énergétique et Propulsion de l'ISAE

  • mulations directes de la turbulence

  • code de résolution des équations de navier-stokes

  • moment agréable

  • professeurs lamballais

  • mots-clés turbulence de paroi

  • cazalbou professeur

  • production de turbulence


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 décembre 2009
Nombre de lectures 45
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

Extrait

Thèse
En vue de l’obtention du
Doctoratdel’Universitéde Toulouse
Délivré par: L’Institut National Polytechniquede T
Spécialité: Dynamiquedes Fluides
Présentée et soutenue par: Julien Bodart
Le: 21/12/2009
Effetdeblocagedansunécoulement
turbulentnoncisaillé
Jury
J.-B. Cazalbou Professeur à l’ISAE, Toulouse Directeur de thèse
R. Friedrich Pr à l’Université Technique de Munich Examinateur
L. Joly Professeur à l’ISAE, Toulouse Directeur de thèse
E. Lamballais Pr à l’Université de Poitiers Rapporteur
J. Magnaudet Directeur de recherche CNRS, IMFT, Toulouse Examinateur
M. Stanislas Professeur à l’ECL, Lille Rapporteur
École doctorale: Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Procédés
Unité de recherche: Département Aérodynamique, Énergétiqueet Propulsiondel’ISAERemerciements
es travaux exposés dans ce mémoire ont été effectués au sein du département AérodynamiqueL Énergétique et Propulsion de l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE) sous la
direction de Jean-Bernard Cazalbou et Laurent Joly. Je voudrais exprimer mes plus profonds remercie-
ments à tous ceux qui m’ont soutenu ou accompagné durant ces années d’études.
Tout d’abord, j’adresse mes plus sincères remerciements à Laurent et Jean-Bernard pour leur grande
disponibilité et la qualité de leur encadrement durant ces trois années. Leurs conseils et leurs expé-
riences respectives se sont révélés d’une aide précieuse pour mener à bien ce travail.
Je remercie chaleureusement les professeurs Lamballais et Stanislas, qui ont accepté de rapporter ce
travail. Je suis reconaissant des remarques et commentaires éclairés qu’ils ont pu porter à la lecture de
ce manuscrit. J’exprime également toute ma gratitude envers Messieurs Magnaudet et Friedrich pour
leur participation au jury de cette thèse.
J’ai pu séjourner, en 2008, au département Multi-Scale Physics de l’Université TU Delft. Je remercie
l’ensemble des personnes qui m’ont acceuillies et particulièrement le docteur Sasa Kenjeres.
Je tiens également à associer Raimondo et Patrick, qui m’ont encadré lors de mon année passée à
l’Institut Von Karman. Le temps qu’ils ont su me consacrer, afin de transmettre leurs connaissances
informatiques et scientifiques, m’a permis de démarrer dans les meilleures conditions ce travail de
thèse.
Durant les années que j’ai passées dans le Nord de la France, mais aussi en Irlande, en Belgique, et
à Toulouse surtout, j’ai eu la chance de rencontrer de nombreuses personnes formidables. Sans me
risquer à les citer, je les salue tous ici, pour leur soutien et les moments agréables partagés. J’envoie une
pensée particulière à la fanfare des Trous-Balourds, qui a rythmé ma vie à Toulouse et avec laquelle
j’ai passé d’inoubliables moments. J’adresse aussi mes encouragements les plus forts à l’association
Tactikollectif pour les combats qu’elle mène.
Je remercie profondément mes parents, qui ont toujours soutenu mes choix, même lorsque ces derniers
m’ont éloigné de ma ville natale. Je salue mes frère et soeurs qui ont su se montrer d’un soutien
précieux, et ce malgré la distance qui nous sépare. J’aimerais également associer mes grands-parents,
disparus ou encore présents.
Je remercie enfin toute l’équipe du DAEP de l’ISAE, avec qui j’ai passé d’agréables moments. J’adresse
une mention spéciale à mon “colocataire” de bureau, Pierre, pour les conseils qu’il m’a prodigué, ainsi
que les discussions, scientifiques ou non, que l’on a pu avoir.
Toulouse, le20 janvier2010.
iiiTitre Effet de blocage dans un écoulement turbulent non cisaillé
Résumé Un code de résolution des équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible a été
développé en utilisant une approche mixte spectral/différences finies, compatible avec une mise en
œuvre dans un environnement massivement parallèle. On procède, grâce à ce nouvel outil, à des si-
mulations directes de la turbulence dans une configuration où l’agitation est synthétisée à l’aide d’un
forçage aléatoire. La production de turbulence est confinée dans une couche centrale du domaine et
s’auto-diffuse en direction d’une surface libre ou d’une paroi adhérente. Dans cette configuration on
obtient un état statistiquement stationnaire où le cisaillement moyen, généralement à l’origine de la pro-
duction de la turbulence, est nul. Ces conditions permettent de mieux comprendre du transfert
intercomposantes, caractéristique de la partie lente du terme de corrélation pression-déformation dans
les équations-bilan des tensions de Reynolds. L’accent est mis sur l’analyse de ce transfert lorsqu’il
s’effectue sous l’influence de l’effet de blocage au voisinage d’une surface. Les résultats obtenus per-
mettront de mieux appréhender la modélisation des termes de corrélation pression-déformation au
voisinage d’une paroi dans les modèles de fermeture au second ordre.
Mots-clés Turbulence de paroi, simulation directe, calcul massivement parallèle, forçage de la turbu-
lence, effet de blocage
Title Blocking effect in a shearless turbulent flow field
Abstract A Navier-Stokes solver for incompressible flow has been developed using a mixed
spectral/finite-difference approach, while being compatible with a massively parallel environment.
We use it to perform direct numerical simulations in a situation where the turbulent agitation is syn-
thesized under the action of a random forcing. The turbulence production is confined in a central layer
and self-diffuses towards a free-slip or no-slip surface. With this set-up, we obtain a statistical steady
state in which the mean shear, usually associated with the turbulence production, is zero. These condi-
tions allow a better understanding of the intercomponent energy transfer, induced by the slow part of
the pressure-strain correlation in the Reynolds tensor budget. We focus on this transfer when it occurs
in combination with the blocking effect, in the vicinity of the surface. The results will help to model
the pressure-strain correlation in a second- order-closure context.
Keywords Wall turbulence, DNS, massively parallel, turbulence forcing, blocking effectTabledesmatières
Tabledesmatières vi
Listedesfigures ix
Notations xiii
Introduction 1
Contexteapplicatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Problématiquescientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Simulationnumériquedirectedesécoulementsturbulents . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Organisationdumémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 Transfertintercomposantesauvoisinaged’unesurfacedeblocage 7
1.1 Configurationétudiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Outilsstatistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Moyenne temporelle et moyenne d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Moyennes spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Équationsauxmomentsstatistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Cas général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Simplifications liées aux propriétés géométriques de la configuration . . . . . . . . . . . 13
1.4 Analyseasymptotiqueduchampauvoisinaged’unesurfacedeblocage . . . . . . . 13
1.4.1 Surface libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Paroi adhérente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Corrélationpression-déformationettransfertintercomposantes . . . . . . . . . 15
1.5.1 Distinction partie lente/partie rapide de la corrélation pression-déformation . . . . . . . 15
1.5.2 Analyse instantanée du transfert intercomposantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Méthodesnumériques 19
2.1 Solveur Navier-Stokespourunfluideincompressible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 Équations de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Algorithmegénéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Méthodes de projection et intégration temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Résolution du système sur le domaine intérieurW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 Conditions aux limites sur le extérieur ¶W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Discrétisationspatialedanslesdirectionspériodiques . . . .

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