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Traitement des conditions aux limites: COMPRESS version WOMBAT 36

3.2 Schéma numérique

3.2.3 Traitement des conditions aux limites: COMPRESS version WOMBAT 36

été obtenue avec la version du code COMPRESS développée par Dubief (2000) au cours de sa

thèse. Les modications majeures portent sur l'implantation de la formulation en volume nis de

la discrétisation présentée plus haut et comporte notamment une alternance du sens de

discréti-sation des ux à chaque pas de temps. Ce dernier point permet de garantir l'ordre du schéma et

une faible diusivité. Le niveau d'optimisation atteint permet d'augmenter la vitesse de calcul

par rapport à l'ancienne version d'un facteur 4.5 ce qui constitue un gain considérable. Enn,

cette version présente aussi l'avantage, par rapport à COMPRESS, de permettre un passage

exact des informations d'un bloc à l'autre lorsqu'il y a connexion. Dans la mesure où la

simula-tion de l'écoulement derrière une marche nécessite deux blocs de maillage, donc des connexions

inter-domaines, et pour les raisons que nous venons d'exposer, WOMBAT a été préféré pour

cette géométrie.

Les diérentes conditions aux frontières des domaines de calcul sont les suivantes:

Condition de paroi

Adhérence: (ui)

paroi

= 0

Gradient de pression nul: (@

?

p)

paroi

= 0,

?

désigne la direction perpendiculaire à la

frontière considérée.

Paroi isotherme: T

paroi

=T

0

Condition de glissement

Glissement:u

?

= 0, (@

?

u

k

)

frontière

= 0,

k

désigne la composante tangentielle à la frontière

considérée.

Gradient de pression nul:(@

?

p)

frontière

= 0

Température xée:T

paroi

=T

0

Périodicité et connexion

Ces deux conditions sont traitées de façon identique et correspondent à un transfert exact des

données.

Condition d'entrée et de sortie libre

Le traitement de cette condition se fait au moyen d'une méthode aux caractéristiques locales

dans la direction normale à la frontière. En eet, tout système d'équations hyperboliques, tel que

(3.1), représente la propagation d'un système d'ondes (cinq). Aux frontières, certaines d'entre

elles sortent alors que d'autres sont entrantes. En ce qui concerne les ondes qui se propagent

vers l'extérieur, elles sont entièrement dénies par la solution interne du domaine de calcul. En

revanche, les ondes se propageant vers l'intérieur font appel aux données du champ extérieur au

domaine de calcul, à priori inconnu. On est alors amené à imposer dans ce cas des conditions

aux frontières. Ainsi, l'évaluation des ondes entrantes est réalisée à partir des variables imposées

à la frontière: à l'entrée par exemple, on impose la température et le champ de vitesse. Cette

évaluation prend aussi en compte les ondes sortantes le tout en suivant une démarche proposée

par W.Thompson (1987), Thompson (1990) ou Poinsot & Lele (1992).

3.2.4 Pas de temps et performances du code

An d'assurer la convergence du code, deux critères de stabilité numérique sont utilisés:

Le premier est lié aux termes de convection. Le pas de temps, t, est alors contraint de la

3.2. Schéma numérique

façon suivante (condition CFL pour Courant-Fredriech-Levy):

Ccfl= t max

j

ui

j

+c

xi

avec Ccfl= 0:4; (3.43)

c représente la vitesse du son locale et Ccfl une constante propre au schéma utilisé.

Le second critère est lié aux termes de diusion, dans ce cas test contraint par:

Cvis= tmax

x

2

i

avec Cvis= 0:2; (3.44)

Finalement on choisit la condition la plus restrictive pour déterminer le pas de temps.

En pratique, le pas de temps des simulations eectuées est de l'ordre6:10

4

h=U

0

et le nombre

d'itérations approche les 450000 (sans compter l'initialisation). Ainsi, la simulation SGE IV a

nécessité

50heures de calcul sur NEC-SX5 (Institut du Développement et des Ressources en

Informatique Scientique, IDRIS) le code ayant une vitesse de calcul de 2.3Gops.

Synthèse sur le problème des conditions

d'entrée d'un calcul SGE et sur la

conguration choisie: la marche

descendante

Marche descendante: synthèse

bibliographique

4.1 Considérations générales

Les écoulements turbulents qui présentent des zones de décollement et de rattachement ont

fait font encore l'objet de nombreuses études. L'intérêt qu'ils suscitent s'explique si l'on

considère le nombre important de situations pratiques dans lesquelles on les rencontre. En

aérody-namique externe ils sont à l'origine de l'augmentation du coecient de traînée pour les véhicules

et sources de bruit. Sur les avions ils peuvent diminuer de manière dramatique la portance d'une

aile, et contribuent de façon signicative aux nuisances acoustiques.

Dans ces situations l'écoulement rencontre un gradient de pression défavorable. En eet, la

pression augmente dans la direction principale de l'écoulement et provoque un décollement de

la couche limite. Plus loin l'écoulement impact la paroi formant ainsi une zone de

recircula-tion. Pour les écoulements internes, recirculations et turbulence peuvent avoir un eet favorable

comme dans les chambres de combustion où ils contribuent au mélange. En revanche, dans les

conduites ils entraînent une perte d'énergie.

La marche descendante constitue la plus simple des géométries parmi les écoulements

2D de ce type. En eet, la ligne de séparation est xe et se situe à l'arête de la marche. Elle

ne présente qu'une unique recirculation au lieu de deux pour un obstacle (marche

montante-descendante, sillage) ou une plaque perpendiculaire à l'écoulement. La marche est souvent utilisée

comme cas de référence dans le cadre des développements des modèles moyennés pour cette

catégorie d'écoulements. Ces éléments expliquent le nombre conséquent d'études qui portent

sur cette conguration. Cependant, il reste un certain nombre de points, aussi bien en termes

phénoménologiques que structuraux, qui restent mal compris.

Même si nous avons souligné la simplicité de cette géométrie elle est néanmoins

extrê-mement représentative puisque l'écoulement qu'elle génère présente un niveau de complexité

similaire aux cas réels et donc demeure un cas-test dicile pour tous les codes.

Pour illustrer cette remarque une représentation schématique de chacune des zones qui

com-posent l'écoulement est donnée sur la gure (4.1). La couche limite amont décolle à l'aplomb de

la marche où s'initie le développement de la couche cisaillée libre. Sous l'eet du fort gradient

adverse de pression, celle-ci se courbe fortement dans la zone de rattachement où elle impacte la

paroi. Une partie de l'écoulement est dééchie vers la marche et alimente la recirculation. Plus

loin dans l'écoulement, on observe un lent retour à l'équilibre à travers le développement d'une

couche limite interne.

externe Zone de séparation

Couche cisailleé

Couche limite amont Zone de relaxation

Tourbillon marginal y x Zone de rattachement h U0 U0 0 Xr (t) Bulle derecirculation U0 U0

Couche limite interne Couche limite

Fig. 4.1 Marche descendante : les diérentes zones de l'écoulement.

L'instationnarité de cet écoulement rend les limites de ces zones uctuantes. Le découpage

basé sur les caractéristiques prédominantes locales ne signie pas que chacune des zones est

indépendante, bien au contraire, nous verrons plus loin l'existence de forts couplages.