Les objectifs environnementaux et opérationnels ambitieux de l'industrie aéronautique nécessitent des avancées constantes dans les systèmes de propulsion, notamment en termes d'efficacité, d'émissions et de réduction de bruit. La dynamique des fluides numérique ( extit{CFD} en anglais) joue un rôle essentiel dans la réalisation de ces objectifs en simulant les écoulements dans des composants tels que les compresseurs, les turbines, les chambres de combustion et les tuyères. Parmi les techniques de CFD, la simulation aux grandes turbulences ( extit{SGE} ou extit{LES} en anglais) s'impose comme une approche de haute fidélité pour capturer la dynamique des écoulements turbulents et les mécanismes de perte dans les turbomachines. Cependant, le coût de calcul important de la LES, en particulier pour les écoulements à haut nombre de Reynolds dans des géométries complexes, reste un obstacle important à la généralisation de son applications pratique. Les modèles de paroi offrent une solution en modélisant l'écoulement près de la paroi plutôt qu'en le résolvant complètement, réduisant ainsi le coût de calcul tout en préservant les nombreux avantages de la LES.
L'objectif de cette thèse est de relever certains des défis de la modélisation de paroi afin d'assurer la pertinence physique des modèles de parois pour les turbomachines et d'améliorer leur intégration dans le cadre de la LES. Un modèle de paroi TBLE (Thin Boundary Layer Equations), conçu pour prendre en compte les effets du gradient de pression, a été implémenté dans le solveur massivement parallèle AVBP. En outre, un modèle de fluctuation stochastique utilisé pour corriger les modèles de sous-maille ( extit{SGS}) près des murs a été étudié et amélioré pour traiter le décalage dans les profils de vitesse ( extit{Log-Layer mismatch}) dû au couplage entre les modèles de paroi et le solveur LES.
Les principaux résultats présentés dans cette thèse comprennent la validation des modèles mis en œuvre, à la fois indépendamment et conjointement, sur les cas académiques du canal turbulent des collines périodiques. Les modèles ont ensuite été appliqués à des cas de turbomachines comprenant une cascade d'aubes de turbine haute pression et une configuration rotor/stator de fan. |
The aviation industry's ambitious environmental and operational goals necessitate continuous advancements in propulsion systems, focusing on efficiency, emissions, and noise reduction. Computational Fluid Dynamics (CFD) plays a pivotal role in achieving these objectives by simulating flows in components like compressors, turbines, combustion chambers, and exhaust systems. Among CFD techniques, Large Eddy Simulation (LES) stands out as a high-fidelity approach for capturing turbulent flow dynamics and loss mechanisms in turbomachinery. However, the significant computational cost of LES, especially for high Reynolds number flows in complex geometries, remains a significant barrier to widespread practical applications. Wall models offer a solution by modeling near-wall behavior rather than fully resolving it, thus reducing computational demands while preserving numerous advantages of LES.
The objective of this thesis is to tackle some of the challenges of wall modeling to ensure the physical relevance of wall models for turbomachinery and improve their integration within the LES framework. A Thin Boundary Layer Equations (TBLE) wall model, designed to account for pressure gradient effects, was implemented in the massively parallel AVBP solver. Additionally, a stochastic fluctuation model used to correct sub-grid scale (SGS) models near walls was studied and enhanced to address the log-layer mismatch arising from the coupling between wall models and the LES solver.
Key results presented in this thesis include the validation of the implemented models, both independently and together, on the turbulent channel flow and periodic hill academic test cases. The models were subsequently applied to turbomachinery cases, including a high pressure turbine blade casecade and a fan rotor/stator setup. |