5.3 Applications bidimensionnelles
5.3.3 Prise en compte d’un champ porteur
L’objet du cas qui suit est de vérifier, par l’expérience, la capacité du solveur hybride à prendre en compte un champ porteur hétérogène. Pour ce faire, on choisit de simuler la propagation d’une source harmonique autour d’un profil de Joukovski, autour duquel un écoulement porteur Eulérien stationnaire est connu de manière analytique [47]. Il consiste en une donnée de notre problème. La figure 5.20 représente les vitesses selon les axes x et y de ce champ moyen. Notons que la vitesse selon x à l’infini est choisie égale à 100 m.s−1, de telle sorte que le nombre de Mach à l’infini est donné par6 :
M∞ ≈ 0.3.
Ainsi, le champ porteur est-il suffisamment régulier pour pouvoir être pris en compte par la modélisation formalisée par les équations d’Euler linéarisées (2.4). En effet, on rappelle que la matrice 3× 3 (en 2D) B qui prend en compte les hétérogénéités du champ porteur
5.3 Applications bidimensionnelles
u0 v0
Lignes de courant colorées par la norme euclidienne du vecteur vitesse
Figure 5.20 – Vitesses du champ porteur autour d’un profil de Joukovski (M∞ ≈ 0.3) s’écrit : B = ∂xu0 ∂yu0 − ∂xc0 ∂xv0 ∂yv0 − ∂yc0 c0 ρ0 ∂xρ0 c0 ρ0 ∂yρ0 (γ− 1) (∂xu0+ ∂yv0) .
Cette dernière contient les dérivées des grandeurs u0, v0, c0 et ρ0, qui n’auraient pas de sens si l’écoulement présentait des chocs.
La configuration géométrique du calcul est la suivante. La frontière du profil de Jou- kovski a pour coordonnées extrémales [−1, 1] × [−0.04, 0, 162]. Aussi, on fait le choix de résoudre la propagation des ondes acoustiques dans un domaine d’extension [−2, 2]×[2, 2]. Pour ce faire, on met en œuvre le soldeur hybride en recouvrement total. Ainsi, on propose de résoudre le voisinage du profil par une méthode DG, dans un maillage non-structuré
- Domaine DG Domaine DF Calcul DG de référence
Nombre de mailles 10498 90000 62758
Elements de frontière extérieure 112 - 316
Elements de frontière intérieure 340 - 376
Ordre du schéma P2 6 P3
∆t intrinsèque 7.1× 10−7 1.4× 10−5 4.5× 10−7
Table 5.5 – Paramètres du calcul - Profil de Joukovski
de frontière extérieure rectangulaire d’extension [−1.5, 1.5] × [−0.5, 0.5]. Nous imposons un terme source harmonique, localisé dans le domaine DG, et donné par :
S(x, y, t) = 0 0 exp−b (x − x0)2+ (y− y0)2 sin(2πf t) , avec x0 =−1, y0 =−0.25, b = 170 et f = 1682.
Les paramètres exacts du calcul sont résumés dans le tableau 5.5. On précise qu’on fait le choix de définir une grille cartésienne munie de 300×300 mailles, dans le but de pouvoir capturer avec environ 12 points par longueur d’onde la plus grande fréquence spatiale susceptible de se présenter. Enfin, l’avancée en temps est réalisée grâce à un schéma de Runge-Kutta d’ordre 4. D’autre part, le maillage DG fait l’objet d’un raffinement significatif entre la frontière de couplage et la géométrie de l’obstacle.
La figure 5.21 présente les résultats d’un calcul mené sur 15 000 itérations, afin d’at- teindre la convergence harmonique. Tout d’abord, on a représenté le champ de densité instantané dans l’ensemble du domaine, ainsi que dans la zone du bord d’attaque. Ce ré- sultat permet de mettre en évidence l’effet du champ porteur sur la propagation. En par- ticulier, on distingue clairement une différence de longueur d’onde entre l’aval et l’amont de la source par rapport à la direction de la vitesse du champ porteur à l’infini. On no- tera, de plus, la bonne continuité des champs au travers de la frontière de couplage DG. Dans un deuxième temps, on a représenté la composante selon y du champ de vitesse acoustique. Cela permet d’identifier la présence d’une source secondaire située au bord de fuite. Sa présence est due au fait que ce dernier consiste en un point de rebroussement. En conséquence, les vitesses en x et y du champ porteur sont localement cisaillées dans cette zone. Ceci a pour effet, au passage d’une onde acoustique, de générer une insta- bilité de Kelvin-Helmholtz. Celle-ci consiste en l’excitation d’un mode rotationnel dont l’amplitude croît indéfiniment en présence d’un cisaillement7. En l’absence de ce dernier, les tourbillons ainsi générés sont simplement advectés par le champ porteur. En outre, ces tourbillons créent des fluctuations de densité acoustique au bord de fuite. En consé- quence, ce dernier se comporte comme une source harmonique secondaire, dont on peut remarquer que la contribution est également transmise au domaine DF. On note que cela n’est pas le cas du mode rotationnel advecté par l’écoulement. Cela n’est pas dû au fait que la simulation n’aurait pas atteint un temps physique suffisamment long. En réalité, le déraffinement du maillage non structuré entre le bord de fuite et la frontière de couplage
5.4 Conclusion
du domaine DG en aval par rapport à l’écoulement a pour effet de dissiper ces structures hautes-fréquences (en espace). Ceci nous renvoie à la discussion de la section 3.2.2, qui suggérait de jouer sur le déraffinement progressif des maillages DG pour éviter de fournir aux stencils DF des champs hautes-fréquences, auxquels ces schémas sont sensibles. Fi- nalement, on a représenté la norme euclidienne du vecteur vitesse acoustique, qui permet également de mettre en lumière ce phénomène, ainsi que son influence sur le rayonnement global. Ce calcul hybride a permis de montrer que la prise en compte d’un champ porteur hétérogène (et dont les gradients ne sont pas nuls à la frontière de couplage) ne représente pas une difficulté spécifique pour l’algorithme de couplage présenté dans ce chapitre. Les champs solutions DG et DF sont continus au travers des zones de raccord, et n’ont pas été sujets à des instabilités de nature numérique. De plus, une comparaison avec un calcul DG autonome suffisamment fin pour être considéré comme un calcul de référence sur le domaine global (présenté sur la figure 5.22), montre que le comportement physique de la solution est correctement reproduit. Par ailleurs, ces résultats comparés illustrent en quoi, dans le cadre de ces couplages, une stratégie de déraffinement de maillage adaptée peut permettre de ne conserver que la physique d’intérêt (propagation d’ondes - modes acous- tiques de l’écoulement). Ceci peut être vu, en quelque sorte, comme une étape de filtrage implicite des hautes fréquences indésirables, tant du point de vue de la modélisation que dans le souci de ne pas fournir au sous-domaine DF une solution trop irrégulière.
5.4
Conclusion
Ce chapitre a consisté, en premier lieu, à élaborer une procédure de couplage entre des schémas DG décentrés en maillage non-structuré et des schémas aux différences finies centrés en maillage cartésien, dans le cas 2D. Aussi, la méthode proposée dans le cadre de ce travail consiste :
– d’une part, à prendre en compte les contributions des domaines cartésiens aux sous- domaines DG en reconstruisant une trace fictive sur leur frontière extérieure, – d’autre part, à prendre en compte les contributions réciproques en s’appuyant sur la
notion de points fictifs du maillage cartésien, communément utilisés afin d’appliquer des conditions aux limites tout en utilisant des schémas centrés.
Elle implique, de plus, l’utilisation d’un interpolateur de Lagrange en vue de répondre à la non-conformité des degrés de liberté. Enfin, deux approches complémentaires en termes de stratégie de maillage et de couplage ont été proposées : d’une part en supposant un recouvrement minimal entre les maillages, d’autre part en recouvrement total. Deuxième- ment, ce chapitre a présenté une étude numérique de la précision du solveur hybride. Ceci a permis de montrer qu’il était possible de construire un couplage préservant globalement l’ordre élevé des discrétisations spatiales DF et DG autonomes (munies de schémas RK en temps) couramment mises en œuvre en aéroacoustique numérique. Toutefois, ces ex- périences numériques ont également mis en évidence la présence de phénomènes parasites très localisés (convergence en maillage moindre en norme L∞). Si ces derniers semblent liés à des configurations géométriques spécifiques des nœuds de couplage DF par rapport aux interfaces entre mailles DG, leur cause n’a pu être déterminée de manière exacte dans cette étude. Par ailleurs, la stabilité du couplage dans le cas d’une cavité fermée,
préservant l’énergie, a été évaluée numériquement. Ces calculs ont montré que la faible quantité de diffusion numérique intrinsèque aux schémas (décentrement du flux DG et filtre DF) suffisait à maintenir une énergie bornée en temps long. Cela revient à conclure que la frontière de couplage génère des parasites d’une amplitude acceptable (et qui, par ailleurs, décroit selon l’ordre du schéma couplé).
Enfin, on a présenté des applications tant illustratives de l’objectif du couplage qu’utiles à sa validation. En particulier, les résultats du traitement d’un cas d’épreuve acoustique (section 5.3.2) ont permis de quantifier la précision "brute" du couplage, pour un nombre de degrés de liberté par longueur d’onde fixé. Ainsi a-t-on pu observer que la précision du couplage DG/DF se compare de manière très convenable aux travaux passés de divers auteurs, dédiés à ce cas-test, pour les discrétisations spatiales retenues. Ces applications ont contribué à mettre en évidence l’intérêt d’une telle stratégie de couplage. Toutefois, il est attendu que leur apport en termes de gains en ressources machine pour un problème et une précision donnés doit en particulier se manifester, de manière claire, dans les cas tridimensionnels.
Ainsi, le chapitre qui suit présente l’extension de la méthode de couplage à la troisième dimension d’espace ainsi que son application à un cas d’intérêt industriel.
5.4 Conclusion
Champ de densité instantané, −1.10−3< ρ1 < 1.10−3
Champ de vitesse acoustique selon y, −5 × 10−5< vy1 < 5× 10−5
Norme euclidienne du vecteur vitesse acoustique, 0 <|v1| < 2 × 10−3
Champ de densité instantané / Norme euclidienne du vecteur vitesse acoustique
Chapitre 6
Schéma hybride 3D - Une application
Dans le but de mettre en évidence l’intérêt pratique de l’approche développée dans le cadre de ce travail, ce chapitre présente une application du schéma couplé DG/DF à un cas tridimensionnel présentant un obstacle réaliste et géométriquement complexe. Il s’agit de l’entrée d’une nacelle de turboréacteur, dont le maillage de peau a été fourni par Airbus. Plus précisément, il s’agira d’étudier la diffraction d’une source analytique harmonique autour de cet objet, dans un domaine de grande taille. Avant cela, on présente brièvement l’extension à la troisième dimension d’espace de la technique de couplage introduite au chapitre 5.