Simulation de la TUrbulence à haut Reynolds Multi-Modèles Multi-Maillages

ANR-06-CIS6-011 Simulation de la TUrbulence à haut Reynolds Multi-Modèles Multi-Maillages Sofiane Benhamadouche Fabien Crouzet Dominique Laurence Imran Afgan Xingsi Han Yacine Kahil Pierre Sagaut Manuel Henner Stéphane Moreau Julien Berland Frédéric Daude Philippe Lafon Partenaires associés : Univ. Manchester, Ecole Centrale de Lyon, Univ. Sherbrooke 1 16 décembre 2010

Organisation du projet SP1 : Chimera et HPC - simulations sur maillages composites nonstructurés et calcul intensif UPMC/EDF SP2 : Modélisation de la turbulence Approche multi-modèles de la turbulence pour les hauts Reynolds EDF/Univ. Manchester SP4 : Simulations sur maillages composites structurés en calcul parallèle pour la SAD LaMSID/EDF/ECL SP6 : Application au rayonnement acoustique d un profil Valéo Valéo/EDF/Univ. Sherbrooke/LaMSID 2 16 décembre 2010

Codes de calcul utilisés Code_Saturne (EDF, libre) Volumes finis co-localisés sur maillages non-structurés Ecoulements incompressibles/algorithme SIMPLEC/Interpolation de Rhie & Chow LES par modèle de sous maille dynamique (Germano) Code_Safari (EDF/LaMSID) Différences finies d ordre élevé sur maillages structurés curvilignes Géométries complexes à partir de maillages composites (overset grids) Ecoulements compressibles LES par filtrage explicite 3 16 décembre 2010

Clusters de calcul intensif utilisés Platine (CEA/CCRT) Maxprocs : 7456 Performance théorique : 47 Tflops BlueGene/L (EDF) Maxprocs : 8192 Performance théorique : 22 Tflops BlueGene/P (EDF) Maxprocs : 32768 Performance théorique : 111 Tflops 4 16 décembre 2010

SP1 : Two Side-by-side Cylinders (1) Re D,U 3,000 Domain Size 25D (20D + (T/D)) 4D Mesh Size 21 Million cells 2048 Processors on Blue Gene/P super computer, 1000 CPU hours Transverse Pitch to diameter ratios (1.25<T/D<5.0) Peculiar Biased & Bi-stable flow behavior for small aspect ratios Dynamic Smagorinsky Model (Germano with Lilly minimization) 5 16 décembre 2010

SP1 : Two Side-by-side Cylinders (2) 6 16 décembre 2010

SP1 : Two Side-by-side Cylinders (3) 7 16 décembre 2010

SP1 : Two Side-by-side Cylinders (4) 8 16 décembre 2010

SP1 : Others cases not exploited yet Various pitch to diameter ratio Tandem configuration 2x2 configuration 9 16 décembre 2010

SP2 : Caractérisations des échelles pariétales - Recommandations basées sur max échelle integrale (1/10), Taylor, (et Kolmogorov pour très proche paroi) - Echelles estimées par calcul RANS précurseur - Utilisées au sein EDF / Code-Saturne users - Diffusées (ERCOFTAC best practice for LES, Sept 2010) - Validations en mode quasi DNS structuré ou non-structuré, avec Code Saturne a EDF (K. Saleh, R. Howard & S. Benhamadouche), Saturne et Star-CD a Manchester (Y. Addad, S. Rolfo, I. Zaidi) Saturne & STAR Grids (141x184x177) = 4.59 million DNS : Grid (256x193x192)= 9.48 million Tensions de Reynolds 10 16 décembre 2010

SP2 : Couplage frontal RANS - LES Développement terminé dans. Est désormais utilisé en applicatif. Ex: T de mélange (études EDF et benchmark OCDE): fluctuations de températures Jean-Marc Ndombo & R. Howard (EDF), CFD for Nuc. Reactor Safety Washington, Sept. 2010 Reconstruction of Turbulent Fluctuations for Hybrid RANS-LES simulations using a synthetic Eddy Method, N. Jarrin, R. Prosser, J. Uribe, S. Benhamadouche, D. Laurence, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 30, pp. 435-442, (2009) 11 16 décembre 2010

SP2 : couplage pariétal RANS - LES Invariance / nombre Re et maillage Vitesse RANS Vit. moy. LES Contrainte de cisaillement LES (résolue) Cisaillement total RANS (modèle) Application bord de fuite: Vitesse locale LES Vitesse RANS 12 16 décembre 2010

SP2 : Maillages optimaux pour la LES - Difficile de «faire grandir» la taille des mailles + loin de la paroi. On ne développe pas de mailleurs. - Nombreux benchmark EDF-Manchester Saturne- Star-CD-StarCCM - Seuls les maillages quasi-orthogonaux (Hexa rectiligne ou Tetra isocèle) permettent d obtenir des résultats de haute qualité sur le moments d ordre 2 ou 3 (Type Bilan). - Ret. expé: raffinement // paroi OK, mais éviter non conformité perpendiculaire a l écoulement - Tendance au retour vers des maillages cartésiens et des méthodes «immersed boundary» ou cutcell pour la frontière. - Forum dédié a ce point sur le wiki : et retour sur une analyse de cas d écoulement plus fondamentaux - Application HPC BlueGene néanmoins: une base de donnée sur les écoulement tubes GV / crayons combustibles avec transferts thermique - Cas retenu pour prochain workshop ERCOFTAC a EDF Chatou (host: S. Benhamadouche) 13 16 décembre 2010

SP2 : Applications couplage pariétal RANS-LES Péniguel, I. Rupp, S. Rolfo and M. Guillaud Proceedings of ICAPP 10 San Diego, CA, USA, June 13-17, 2010 Paper 10174, (2010 14 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (1) Reference configuration Rod and NACA 0012 in a uniform Mach 0.2 flow realistic Reynolds numbers Direct calculation with Code_Safari fully 3D composite grid, 8 elementary meshes (20,000,000 nodes) massively parallel calculation on a BlueGene/L (1024 processors) 15 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (2) Zoom on the overlapping grid 16 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (3) Unsteady flow Spanwise velocity field fully turbulent flow in the wake of the cylinder Spanwise velocity field in the central plane of the calculation domain Colorscale from -0.2U to +0.2U 17 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (4) Unsteady flow Acoustic far-field strong tonal radiation related to the impingement of coherent vortical structures on the leading edge of the profile Pressure fluctuations in the central plane of the calculation domain (Colorscale: ±50 Pa) 18 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (5) Mean flow Profiles of the mean streamwise velocity comparison to the data of Jacob et al. (TCFD 2005) (blue plot: LES, red plot: exp.) 19 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (6) Mean flow Profiles of the mean turbulent intensity comparison to the data of Jacob et al. (TCFD 2005) (blue plot: LES, red plot: exp.) 20 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (7) time history of the pressure perturbations corresponding power spectral density (blue plot: LES red plot: exp.) 21 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (8) Investigation of the influence of the gap L/d between the rod and the airfoil on the aerodynamic and acoustic fields distance modification is straightforward with overlapping grids 22 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (9) Drag coefficients of the cylinder and the profile as functions of the distance L/d Cylinder NACA 0012 emergence of two flow modes: wake mode and drafting mode acoustic data still not available (pressure spectra need large numbers of iterations to converge) 23 16 décembre 2010

SP4 : Rod - Airfoil (10) Snapshots of the flow-field for large spacings: profile in the wake of the cylinder for small spacings: flow development around a rod-airfoil body 24 16 décembre 2010

SP6 : VALEO CD Airfoil (1) Simulation RANS de la soufflerie anéchoique de l ECL Domaine de simulation: Prise en compte des conditions d écoulement dans la soufflerie Effet de largeur du jet Extraction des conditions limites pour la LES Écoulement à l air libre Petite soufflerie Grande soufflerie Définition du domaine LES 25 16 décembre 2010

SP6 : VALEO CD Airfoil (2) Domaine de simulation LES Construction du maillage: Forme du domaine définie à partir des simulations RANS précédentes Conditions limites issues du calcul RANS et validées par les mesures de fils chauds croisés Extrusion du domaine 2D sur une envergure égale à 0.1 corde (64 couches) Topologie de maillage en C, avec des cellules quasi-orthogonales à la paroi ~5 millions de cellules 26 16 décembre 2010

SP6 : VALEO CD Airfoil (3) Analyse des coefficients de pression: Comparaison avec les mesures expérimentales de la base de données Comparaison des différents modèles disponibles dans Saturne (RANS et sousmaille) Comparaison avec des résultats d autres LES disponibles (Stanford, VKI) Résultats proches quel que soit le modèle Légère différence avec le modèle Smagorinsky standard sans sous itération Sur-prédiction de la bulle de décollement laminaire 27 16 décembre 2010

SP6 : VALEO CD Airfoil (4) Analyse spectrales et comparaison expérience/numérique: Fluctuations de pression en paroi du profil Fluctuations de vitesses dans le sillage Fréquence de coupure égale ou supérieure à 10 000 Hz à proximité de la pale (RPM #26 et Wake #4) supérieure Fréquence de coupure minimale à 3000 Hz (point Wake #8) Résultats numériques en ligne avec les expériences, avec quelques disparités et limitations. 28 16 décembre 2010

SP6 : VALEO CD Airfoil DNS en préparation 29 16 décembre 2010

Conclusions Plusieurs simulations ont été rendues possible dans le cadre de grâce à la réunion des moyens de calcul HPC, des modélisations adaptées et des collaborations entre les partenaires: cylindres en parallèle, rod-airfoil, Valéo-CD DNS D autres résultats n ont pas été évoquées ici: application de la technique des polynômes du chaos à l écoulement autour d une plaque en incidence, développement des maillages mobiles, base de données pour les profils Valéo Certaines simulations sont toujours en cours, plusieurs publications sont soumises ou en cours de soumission. Des collaborations pérennes ont été renforcées ou mises en place : LaMSID/EDF/ECL, Valéo/EDF/Sherbrooke 30 16 décembre 2010