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Ledernierasd'étudeabordéonernel'éoulementdéolléseformantenavald'un

u-lot.Laongurationhoisie est elledu ulot bidimensionnel.L'intérêt prinipalde ette

ongurationest son faibleoût numérique qui permet d'étudier réellementl'éoulement

en développement spatial, e qui est plus en adéquation ave les éoulements

renon-trés dans l'industrie queles éoulements en développement temporel. Il est ainsi possible

en avalde leur apparition. Cependant, les données bibliographiques,tant expérimentales

que numériques, sont plus limitées pour et éoulement que pour les préédents.

Néan-moins, le but étant de valider l'approhe multi-niveaux pour la Simulation des Grandes

Ehelles en onguration omplexe, ette étape paraît être une bonne transition entre

leséoulementslassiques évoqués plus haut etdes ongurations plus industrielles.

8.3.1 Physique de l'éoulement

Le prinipe général de e type d'éoulement est d'étudier les phénomènes qui

appa-raissent en aval du bord de fuite du ulot. En eet, le long des parois solides de part

et d'autre de l'objet onsidéré, il se développe deux ouhes limites (laminairesou

tur-bulentes selon le as d'étude) qui vont être amenées à déoller une fois le bord de fuite

atteint. Des strutures tourbillonairesvont alors sedévelopper dans lesillage de l'objet.

Desétudesantérieuresonteetivementpermisdemettreenévidenelaprésenede

stru-tures ohérentes au sein des éoulements de sillage se développant derrière des orps à

géométriebidimensionnelle[88,120℄.Cephénomèned'éhappementtourbillonnaire aainsi

été observé etétudié en détailspour des obstales arrondis (ylindreà setionirulaire)

ou à bord d'attaque fran (ylindre à setion arrée). On observe le même phénomène

dansleséoulementsdebordde fuitetronqué,ommeleulotbidimensionnel.Dansette

onguration, ledéollementest provoqué par lehangement brusquede lagéométrie au

niveau du bord de fuite. On observe alors, dans le sillage, un phénomène onnu sous le

nom d'allées de Von Karman qui onsiste en un enhaînement de rouleaux

bidimension-nels dont lavortiité hangealternativement de signe.

Par ailleurs, ertaines études ont mis en évidene l'apparition de strutures

tridimen-sionnellesdans leséoulements de sillage. Ainsi,Grant [52℄ a montré expérimentalement

l'apparition progressive de strutures tridimensionnelles de forte intensité qui tendent à

s'organiserenpairesontrarotatives.L'existenedetellesstruturesestparailleurs

onr-mée dans des études plus réentes [101, 139℄.

La onnaissane et la ompréhension des phénomènes à l'origine de la formation et de

l'évolution des strutures tourbillonnaires pour e type d'éoulement s'avèrent

partiu-lièrement rihes d'enseignements dans le but de onnaitre les fores qui agissent sur le

orps au voisinage du bord de fuite. La répartition de es eorts est à l'originedu

om-portement vibratoire de l'objet et par onséquent de son rayonnement aoustique. De

plus,un bruitaoustiqueest généréparl'interationentre lestourbillonsetlesanglesvifs

du bord de fuite. Ainsi,e type d'éoulement est un as test intéressant pour lesétudes

aéroaoustiquesomme elle de Manoha et al. [87℄.

8.3.2 Desription de la simulation

La ongurationde référene étudiées'appuie sur trois domaines de aluls. Lesdeux

premiers sont situés en amont du ulot et permettent de suivre l'évolution des ouhes

limites le long des parois de l'objet. Le troisième domaine, quant à lui,est plaé en aval

du bord de fuite dans le but de suivre l'évolution des tourbillons alternés dans le sillage

de l'objet.Les dimensionsdes domaines amontsrapportéesàl'épaisseur du ulot

H = 10

sontxées à

13H × 59, 5H × 4H

alors quele domaineen avalde l'objetades dimensions

de

30H × 120H × 4H

.

souhaite observer. Ainsi, un ranement progressif dans le diretion y est appliqué aux

domaines1et2aufuretàmesurequel'ons'approhedelaparoisolide.Unstrethingdes

maillagesde esdomainesamontest égalementappliquédansladiretiondel'éoulement

an d'assurer un raordonforme vis àvis du troisièmedomaineà hauteur du ulot.

Ce troisième domaine utilise également une variation du pas de disrétisation dans la

diretionlongitudinale. Cei a pour but, à lafois de raner le maillage prés du bord de

fuitede l'objet,mais aussid'aroîtrelataillede mailleprès de laondition de sortiean

d'augmenter ladissipation liéeau shémaet ainsiéviter au maximumlesphénomènes de

réexion. Par ailleurs, le maillage voit son pas varier dans la diretion(y) an d'obtenir

lameilleure résolution possible auniveau de la zonede sillage.

Lespas de disrétisationdansla diretiontransverse sont quantà euxonstants pour les

trois domaines de alul.

Parlasuite,troismaillagesderéféreneserontutilisés:unmaillagedit"n",un"grossier"

et un très grossier. Le nombre de ellules utilisées dans haun de es aluls est resumé

dans le tableau8.6.

alul domaines amonts domaineaval Nombre total de ellules

très grossier

22 × 18 × 22 30 × 50 × 22 4, 1712 × 10 4

grossier

44 × 36 × 44 60 × 100 × 44 3, 33696 × 10 5

n

88 × 72 × 88 120 × 200 × 88 2, 669568 × 10 6

Tab.8.6 Maillages n, grossier ettrès grossier

LessimulationssontréaliséespourunnombredeReynolds

Re H = 10000

etunnombre

de Reynolds de frottement

Re τ = 480

. Latailledans ladiretionvertialede lapremière

mailleàlaparoiestxée à

y + = 2

pourlemaillagen,

y + = 4

pourlemaillagegrossieret

y + = 8

pour le maillagetrès grossier. Au niveau du raordonforme entre lesdomaines

amontetaval,latailledemailledansladiretionlongitudinaleest xéeà

x + = 30

pourle

maillagen,

x + = 60

pour lemaillagegrossier et

x + = 120

pour le maillagetrès grossier.

Des onditionsauxlimitespériodiques sontappliquéesdansladiretiontransverse du

faitdu aratèrefortementbidimensionneldel'éoulementde ulot.Auniveau desparois

solides,une ondition de paroi adiabatique est imposée. Uneondition de sortie traitée à

l'aide des variables aratéristiques est utilisée pour tous les domaines dans la diretion

(y).

Lemême traîtementest utiliséau niveau de la ondition de sortie du troisièmedomaine.

Cependant, il est possible d'ajouter un terme visant à éviter lesreexions au niveau des

dernières ellules de e domaine. Les réexions semblent ependant susament faibles

dans les simulations réalisées pour ne pas utiliser ette dissipation artiielle. Les

ré-exions restent négligeables en partiulier du fait de l'étirement imposé au maillage en

sortie de domaine.

Enn, au niveau de la ondition d'entrée, deux possibilitées ont été envisagées. La

pre-mière onsiste à appliquer un prol de ouhe limite laminaireen entrée des domaines 1

et 2. Ce prol va évoluer le long de la paroi solide avant de déoller au niveau du bord

tronqué. Cependant, lalongueur réduite des domaines en amontdu ulot ne permet pas

auxouhes limitesdetransitionneravantlepointdedéollementsuretteonguration.

Cette ondition aux limites basée sur un prol de ouhe limite laminaire sera nommée

Fig. 8.45 Eoulement de ulot : exemple de maillagede référene.

Fig. 8.46 Eoulement au voisinage du ulot.

de ondition d'entrée reste fortement bidimensionnelle et ne présente pas les strutures

qui aratérisent généralement une ouhe limiteturbulente.

La seonde possibilitéest d'ajouter à e prol laminaireen entrée de domaine des

stru-tures du type de elles attendues dans les éoulements de prohe paroi. Terraol [137℄

montre que e type de ondition aux limites permet de restituer à la fois les strutures

présentes dans une ouhe limite turbulente et les phénomènes aoustiques

aratéris-tiques des éoulements de bord de fuite. La gure 8.48 permet de vérier l'existene de

strutures alongées au niveau de la paroi. Ces strutures similaires aux streaks obtenus

préedemment sur la onguration de anal plan ont des longueurs aratéristiques de

l'ordrede1000à1200unitésde paroisurlemaillagen. Cetteseondeonditiond'entrée

est dite turbulente. Leproblème ave e type de ondition d'entrée résidedans la

om-paraisondesrésultatsobtenuspourlesdiérentsmaillages.Eneet,ledéveloppementdes

streaks est fortementinuené par lataillede mailleutiliséeprés des parois. Unmaillage

trop grossiertend ainsi à atténuer trop fortement lesperturbations ajoutées en entrée de

domaine pour obtenir onvenablement les strutures reherhées. La gure 8.48 montre

ainsi deux organisations diérentes des strutures obtenues sur les deux maillages. On

onstate enpartiulierquel'allongementdees struturessur lemaillagegrossierest plus

importantpuisque es strutures ouvrent la quasi-totalitédu domainedans la diretion

longitudinale. Il est alors impossible de retrouver une taille orrete pour es strutures

sur le maillagegrossier.

Fig.8.47Eoulementenamontduulotaveonditiond'entréelaminaire:iso-valeurs

du ritèreQ;gauhe :maillagen

Q = 1 × 10 −5

;droite:maillagegrossier

Q = 3 × 10 −5

.

La gure8.49 permet de omparer les tourbillons de VonKarmanobtenus pour les deux

types d'entrées utilisées.La gure 8.50 dérit le développement des ouhes limites pour

es deux entrées où l'on note que la diérene onerne essentiellement la omposante

transverse de lavitesse et don learatère tridimensionnelde l'éoulement.

De e fait, les aluls réalisés dans ette étude utiliseront la ondition d'entrée

lami-naire, lebut étant de omparer l'évolution des strutures en avalde l'objet obtenue pour

haundes maillagesutilisés.Lesprolsmoyensde vitesseobtenuslelong del'objetpour

les deux maillages de référene sont omparés sur la olonnede gauhe de lagure 8.51.

Seul l'éoulement à l'extrémité du ulot, et don inuené par l'éoulement aval, se

dis-Fig. 8.48 Eoulement en amont du ulot ave ondition d'entrée turbulente :

iso-valeurs du ritère Q (

9 × 10 −5

); gauhe : maillagen; droite : maillagegrossier.

Fig. 8.49 Visualisation 3D de l'éoulement (maillage grossier) : iso-valeurs du ritère

Q;gauhe : ondition d'entrée turbulente;droite : ondition d'entrée laminaire.

y

-10 -5 0 5 10

(a) <u>,maillagen

y

-10 -5 0 5 10

(b) <u>,maillagegrossier

y

-10 -5 0 5 10

() <v>,maillagen

y

-10 -5 0 5 10

(d) <v>,maillagegrossier

y

-10 -5 0 5 10

(e) <w>,maillagen

y

-10 -5 0 5 10

(f)<w>,maillage grossier

Fig. 8.50 Comparaisonsdes prolsde statistiquesobtenussur lesdomaines 1et2 ave

des entrées turbulente () et laminaire ().

y

-10 -5 0 5 10

(a) <u>,laminaire

y

-10 -5 0 5 10

(b) <u>,turbulent

y

-10 -5 0 5 10

() <v>, laminaire

y

-10 -5 0 5 10

(d) <v>,turbulent

y

-10 -5 0 5 10

(e) <w>,laminaire

y

-10 -5 0 5 10

(f) <w>,turbulent

Fig.8.51 Comparaisonsdes prolsde statistiquesobtenussur lesdomaines1 et2pour

lesaluls n (

·

) etgrossier ().

ulot en partant de ouhes limites présentant des aratéristiques omparables sur les

deux maillages.

Deettemanière,lessimulationsderéférenesur lesgrillesneetgrossièredonnentlieuà

des résultatstrèsprohes. Cei onrmel'aptitude de laSimulationdes GrandesEhelles

àrésoudre des éoulementslibres. Ande réellementmesurer l'apportde l'adaptationde

maillage sur la simulation de ulot, les simulations multi-niveaux vont s'appuyer sur un

maillagede base très grossier.Son pas de disrétisation est deux fois plus grand que le

maillage grossier dans haune des diretions. Ainsi, les résultats peuvent être omparés

à eux obtenus sur les maillagesgrossier ettrès grossier.

8.3.3 Adaptation de maillage

Ande limiter lessouresd'erreur, lehoixaété fait de ne onsidérerqu'une

adapta-tiondemaillageappliquéeautroisièmedomaine.Auunranementn'intervientauniveau

des ouhes limites en amont du ulot, e qui explique qu'il serait déliat de omparer

lesrésultats sur la ongurationne ave eux obtenus sur une ongurationadaptée en

utilisantla ondition d'entrée dite turbulente. Pour la ondition d'entrée dite

laminai-re,latailledes ellulesdanslesdomainesamontsne devraitpas avoirune inueneaussi

importantesur la solution.

Au niveau de la détetion des zones à raner, une simpliation a été utilisée pour le

aluldu ritèreen ondelettes.En eet,du faitdu aratère fortementbidimensionnelde

l'éoulement dans le sillage de l'objet, les oeients en ondelettes sont moyennés dans

la diretion transverse pour e as d'étude. Le but essentiel de ette démarhe est de

simplier l'organisation des grilles nes réées et d'éviter l'utilisation des onditions de

raords nononformesdansette diretiontransverse.Il est eneetpossibledanse as

d'utiliser des onditions de prolongement par ontinuité pour les maillages ns dans la

diretiontransverse e quilimite lessouresd'erreur. De plus, lastratégiede ranement

ne s'applique pas à lapremière ellule du troisièmedomaine, dans ladiretion

longitudi-nale,du faitde ladiulté detraitementdes onditionsauxlimitespourlesgrillesnes à

et endroit.Il faudraiten eetutiliser àlafois une onditionde paroi auniveau du ulot

mais aussi un raord non onforme ave les domaines amonts, e qui pourrait s'avérer

ompliquéet soure d'erreurs.

Au delà de es hypothèses simpliatries,la gure 8.52 permet de visualiser le

ompor-tement du senseur pouret éoulement.Cette guremontre quele ritèrede ranement

désignedes strutures quiont tendane às'allongerdansladiretionlongitudinaleetqui

relient lestourbillons transversaux entre eux. Le ritère tend également à suivre

l'évolu-tion de esstrutures dans ladiretionde l'éoulementmême sie suivis'arrêteauniveau

de l'absisse

10H

.

Les statistiques turbulentes obtenues ave les trois aluls réalisés sont reportées sur

lesgures8.53à8.56surlesquellessonttraéslesiso-ontoursévaluésenavalduulot.Au

niveau des prolsmoyens de vitessedans lesdiretions (x)et(y)(gure8.53),onobserve

peu de diérene entre les trois alulssur e type de gure. Il sembleependant que les

niveaux aluléssur lemaillageadapté serapprohentd'avantage de eux obtenussur le

maillagegrossierderéférene.Enpartiulier,lesiso-ontourspourlaomposantenormale

à la paroi sont mieux évalués près de l'axe entre lesabsisses

x ∼ 50

et

x ∼ 150

ave le

maillage adapté. Au niveau des utuations dans es mêmes diretions (gure 8.54), on

x

Fig.8.52Comparaisondel'évolutiondu rotationnelde lavitesse (enbleu)etdu ritère

de ranement (en noir).

grossier.Il reste ependantdes diérenes au niveau des premierspointsen avaldu ulot

(

x < 10

) quis'expliquent par l'inuene des ouhes limitesqui sedéveloppent en amont du pointde déollement etqui dièrententre lesaluls grossierset adaptés. Le fait que

le ranement ne s'applique pas au niveau de la première ellule en aval du ulot peut

égalementjustiereséarts.Lesmêmesonlusionspeuventêtreeetuéesenomparant

les iso-ontours de pression et de masse volumique sur lagure 8.55. Ces deux variables

sonten eetmieux représentées lorsque laméthode de ranementest employée. Cei est

surtout visible dans le sillage prohe de l'objet (

x < 200

), e qui orrespond aux zones

réellementreouvertes parlaméthode d'adaptation.Dansladiretiontransverse, tantau

niveau des prols moyens que des utuations de vitesse, les iso-ontours obtenus ave

le alul multi-niveaux restent voisins de eux alulés sur le maillage très grossier. Cei

sembleraittraduireunemauvaise restitutiondu aratèretridimensionneldel'éoulement

par laméthode de ranement. Ce phénomène peut provenir des simpliations utilisées

au niveau des onditions de raord du niveau n dans ette diretion, l'utilisation de

raords onformesne permettantpas d'enrihirlasolutiondans ettediretion.On peut

égalementimaginerqueledéveloppement des ouhes limites amontjoueun rlenon

né-gligeablesur latridimensionnalitéde l'éoulemente quiexpliqueraitquelealuladapté

ne soit pas en mesure de restituer les mêmes statistiques turbulentes dans la diretion

transverse.

Ainsi,ilsemblequelealulmulti-niveauxpermettede retrouverdesrésultatsprohes

de eux obtenus sur le alulgrossier auniveau de la zone de reouvrement designée par

le ritère en ondelettes. Pour les premières ellules en aval du ulot, les éarts sont plus

importants, sans doute du fait de l'inuene des ouhes limites en amont du point de

déollement.De plus, learatère tridimensionnelde l'éoulement sembleplus prononé

sur lealulgrossierque danslesdeux autresas. Ande valideres premières

onstata-tions,lesprolsdestatistiquessontdétailléspourtroisabsisses diérentessur lesgures

8.58 à 8.61. Ces trois absisses sont reportées sur la gure 8.57.

La gure 8.58 présente ainsi les prols moyens de la omposante longitudinale de la

vi-tesse ainsi que les utuations orrespondantes. Les prols moyens dans ette diretion

sonttrès prohes pour lestrois alulsetl'adaptationde maillagene semblepas apporter

un gain signiatif. Par ontre au niveau des utuations, le alul adapté permet de se

rapproher des prols obtenus sur le maillage grossier. La préision est partiulièrement

arue pour les points les plus éloignés du point de déollement. Plus près du ulot, les

aluls adapté et très grossier présentent les mêmes niveaux de utuations. Il est de

nouveau possibleque e phénomène soitdû àla proximitédes ouhes limites amont.

Dans la diretion vertiale, la vitesse moyenne reste très prohe ave l'adaptation de

maillage de e qui a été alulé sur lemaillage le plus grossier. On observe ainsi un très

léger gain au niveau de la zone reouverte par le ranement de maillage,mais l'apport

n'est pas signiatif. On observe également une préision arue dans la zone entrale

en

x ∼ 48

. Par ailleurs, les utuations dans ette diretion vertiale sont très bien

représentées sur le maillagemulti-niveaux, en partiulier pour les ellules situées dans la

zone de reouvrement et en avalde elle-i. Il sembleainsi quele mouvement moyen soit

inuené de manièrenon négligeablepar l'éoulement amont,tandis que les utuations

de vitesse sontplutt liées au pas loaldu maillage.

La gure 8.60 présente les variations de pression et de densité observées sur haun

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(a) Calultrèsgrossier

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(b)Caluladapté

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

() Calulgrossier

Fig. 8.53 Prols des vitesses moyennes dans les diretions longitudinale (gauhe) et

normaleà laparoi (droite).

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(a) Calultrèsgrossier

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(b)Caluladapté

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

() Calulgrossier

Fig. 8.54Prols de utuations de vitesse dansles diretionslongitudinale(gauhe) et

normaleà laparoi (droite).

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(a) Calultrèsgrossier

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(b)Caluladapté

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

() Calulgrossier

Fig. 8.55 Prols de masse volumique (gauhe) etde pression(droite).

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(a) Calultrèsgrossier

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

(b)Caluladapté

x

0 50 100 150 200 250

x

0 50 100 150 200 250

() Calulgrossier

Fig.8.56 Prols devitesse moyenne(gauhe) etdeutuationsde vitesse(droite)dans

ladiretion transervse.

x

Fig.8.57Positiondes planshoisis pourledétaildes prolsdestatistiquesturbulentes.

y

Fig. 8.58 Comparaison des prols de vitesse moyenne longitudinale (gauhe) et de

utuationsdevitesselongitudinale(droite)pourlesalulstrèsgrossier(

),grossier(

)

et adapté() en trois absisses diérentes.

y

Fig. 8.59 Comparaisondes prols de vitesse moyenne vertiale (gauhe) etde

utua-tions de vitesse vertiale(droite) pour lesaluls très grossier (

),grossier (

)et adapté

() en trois absisses diérentes.

maillagegrossieretellesalulées avelaméthoded'adaptation,enpartiulierauniveau

du sillage de l'objet. Les niveaux sont ainsi bien estimés au niveau de la zone entrale

de l'éoulement. Endehors de ette zone de sillage, on observe des niveaux plus prohes

de eux observés sur le maillage très grossier, sans doute du fait que ette zone ne soit

pas inuenée diretement par l'adaptation de maillage.Cependant les ourbesobtenues

montrent bien un apport non négligeablede lastratégie de ranement.

Enn, on vérie le manque de préision de la méthode quant à la représentation du

aratère 3Dde l'éoulement sur lagure 8.61.Eneet, lesutuationsdans ladiretion

transverse

w

obtenues ave la méthode d'adaptationsont prohes de elles alulées sur lemaillagetrès grossier.Un légergain est ependantobservéen

x = 48

,alors queplus en

amontle gain est négligeable.De la même façon, le terme roisé du tenseur de Reynolds

u v

n'est pas mieux évalué sur le maillagerané quesur lemaillage très grossier.

8.3.4 Conlusion partielle

Ce dernierhapitreprésentel'étuderéaliséesurleasde l'éoulementseformantdans

Ce dernierhapitreprésentel'étuderéaliséesurleasde l'éoulementseformantdans