Amélioration d’une méthode de frontières immergées pour la simulation d’écoulements turbulents autour de géométries complexes

Abstract

Ce sujet de thèse concerne la simulation numérique d’écoulements turbulents compressibles autour de géométries complexes. Au coeur de la chaîne de simulation numérique, l’étape de génération de maillage est aujourd’hui le principal goulet d’étranglement d’un processus de plus en plus automatisé, et constitue un défi d’ampleur pour l’industrie aérospatiale. Pour des configurations réalistes présentant de nombreux détails géométriques complexes, cette étape peut ainsi requérir l’intervention manuelle d’un expert pour plusieurs semaines, contre des temps de calcul de l’ordre de la journée pour des simulations de type RANS. Pour cette raison, l’ONERA développe depuis plusieurs années une méthode de frontières immergées (IBM) pour s’affranchir de la génération d’un maillage conforme aux obstacles. Cette approche s’appuie sur une méthode de génération automatique et rapide de maillages cartésiens multi-blocs, et consiste à forcer explicitement la solution fluide au centre des cellules positionnées à proximité de l’obstacle immergé. Un modèle de paroi est également pris en compte pour les simulations d’écoulements à grand nombre de Reynolds, afin d’éviter un surcoût trop important lié aux nombres de mailles cartésiennes nécessaires à la résolution de la couche limite turbulente par le maillage seul. Cette méthode s’avère particulièrement efficace pour effectuer des calculs RANS autour de configurations de type avant-projet, où elle offre un bon compromis entre temps de calcul et qualité de la solution. Cependant, la capture des coefficients pariétaux doit encore être améliorée, pour permettre une analyse quantitative fine des phénomènes physiques intervenant au sein de la couche limite turbulente. Ces travaux de thèse ont pour principal objectif d’améliorer la robustesse et la précision de la méthode de frontière immergée développée par Péron et al., afin de démontrer que celle-ci peut être une alternative viable aux approches structurées classiques. Pour ce faire, nous proposons une méthode innovante, basée sur un positionnement optimal des points à forcer autour de la géométrie immergée selon différents critères géométriques et physiques. Ces développements visent à éliminer les oscillations parasites pouvant intervenir au voisinage de la paroi, et à améliorer l’intégration champ-proche des efforts aérodynamiques. La seconde partie de ces travaux consiste à étendre notre modélisation proche paroi à partir de l’intégration des effets de gradients de pression extérieurs, sans compromettre la stabilité globale de l’approche. Nos développements sont finalement étudiés pour différents cas-tests académiques 2D et deux cas d’applications 3D (un aérostat et un avion en configuration high-lift), pour des nombres de Reynolds de l’ordre du million et pour des nombres de Mach caractéristiques des régimes subsoniques et transsoniques.