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Soutenance de thèse : Johan DEGRIGNY – « Vers la prédiction numérique du tremblement basse vitesse des avions civils: traitement de paroi amélioré pour la méthode Boltzmann sur réseau »

  Mardi 9 novembre 2021 à 14h00

  Thèses Cerfacs       CERFACS, Toulouse - Salle JCA    

La CFD (mécanique des fluides numérique) est un outil fiable et répandu en aérodynamique aéronautique pour prédire les écoulements dans des conditions proches des points de croisière nominaux. Cependant, la prédiction fidèle de phénomènes aérodynamiques instationnaires impliquant des décollements massifs reste un défi qui dépasse souvent les capacités de la stratégie classique de modélisation de la turbulence RANS (Reynolds-Averaged Navier–Stokes), qui est actuellement la norme dans l'industrie. Le tremblement basse vitesse – l'excitation mécanique de certains composants (l'empennage, par exemple) par le sillage d'un décollement localisé sur un composant en amont (notamment la voilure) entre dans cette catégorie d'écoulements. Les méthodes de simulation qui résolvent explicitement les plus grandes échelles de la turbulence sont susceptibles de combler cette lacune, permettant ainsi la conception de meilleurs aéronefs de façon plus économique et avec des cycles de développement plus courts.

La LBM (méthode de Boltzmann sur réseau) semble être une approche prometteuse pour répondre aux attentes en termes de temps d'exécution et de complexité géométrique pour effectuer des calculs résolvant les grandes échelles turbulentes dans un processus de conception d'aéronef. Au-delà de la modélisation de la turbulence dans le fluide proche de la paroi, la modélisation de paroi – consistant à modéliser l'écoulement dans la zone interne de la couche limite – est cruciale pour la LBM, plus encore que pour d'autres méthodes numériques. En effet, les calculs pleinement résolus de couches limites à fort nombre de Reynolds sont excessivement couteux avec des maillages cartésiens, même avec la modélisation RANS.

Le tremblement basse vitesse implique simultanément des écoulements décollés et attachés, mais la modélisation de ces derniers est moins mature avec la LBM en raison de l'utilisation de maillages cartésiens. L'objectif de cette thèse est d'améliorer le traitement de la paroi et la modélisation de la turbulence proche paroi dans le solveur LBM ProLB afin d'étendre son potentiel pour le tremblement basse vitesse.

En ce qui concerne le traitement de la paroi proprement dit, quatre éléments complémentaires sont introduits : les données d'entrée du modèle de paroi sont obtenus sans interpoler le champ de vitesse proche des parois, le gradient de vitesse du modèle de paroi est pris en compte dans la condition limite LBM pour assurer la continuité entre la partie modélisée et partie calculée des profils de vitesse, les nœuds très proches des parois sont éliminés pour éviter des problèmes numériques et la définition de la direction normale à la paroi est corrigée pour les nœuds en surplomb au niveau des arêtes vives. Ce traitement de paroi amélioré est calibré et validé par des calculs RANS avec un simple modèle de paroi algébrique sur une plaque plane alignée avec le maillage en l'absence de gradients de pression et sur un profil d'aile NACA0012. La régularité des coefficients de pression et de frottement pariétal est bien meilleure qu'avec le traitement de base. La précision des résultats est aussi améliorée dans les limites de la simplicité du modèle de paroi.

En ce qui concerne la modélisation de la turbulence proche de la paroi, le formalisme LES (simulation aux grandes échelles) donne un cadre pour la résolution des grandes échelles turbulentes mais sa mise en œuvre peut se révéler complexe et manquer de robustesse pour des applications réalistes. Les modèles hybrides RANS-LES comme les dérivés de la DES (Detached Eddy Simulation), qui combinent les avantages des ces deux stratégies de modélisation de la turbulence, sont donc plus prometteurs dans le cadre industriel. Le modèle perfectionné ZDES mode 2 (2020) publié récemment est donc implémenté, et sa mise en application en conjonction avec le traitement de paroi amélioré est montrée sur un profil d'aile hypersustenté et une configuration générique d'avion hypersustenté.

Mots clés : traitement de paroi, modélisation de paroi, méthode de Boltzmann sur réseau, modèles hybrides RANS-LES, tremblement basse vitesse

Jury:

Sébastien DECK ONERA Rapporteur
Eric LAMBALLAIS Université de Poitiers Rapporteur
Damiano CASALINO Delft University of Technology Examinateur
Maria Vittoria SALVETTI Università di Pisa Examinatrice
Grégoire PONT Airbus Membre invité
Pierre SAGAUT Aix-Marseille Université Directeur de thèse
Jean-François BOUSSUGE Cerfacs Co directeur de thèse