Soutenance de thèse de Johan DEGRIGNY

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
traitement de paroi,modélisation de paroi,méthode Boltzmann sur réseau,modèles hybrides RANS-LES,tremblement basse vitesse,
Keywords
wall treatment,wall modeling,lattice-Boltzmann method,hybrid RANS-LES,low-speed buffet,
Titre de thèse
Vers la prédiction numérique du tremblement basse vitesse des avions civils: traitement de paroi amélioré pour la méthode Boltzmann sur réseau
Towards the computational prediction of low-speed buffet: improved wall modeling for the lattice-Boltzmann method
Date
Mardi 9 Novembre 2021 à 14:00
Adresse
CERFACS 42 Avenue Gaspard Coriolis 31057 Toulouse Cedex 1 France
Salle administration
Jury
Directeur de these M. Pierre SAGAUT Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur M. Eric LAMBALLAIS Université de Poitiers
Rapporteur M. Sébastien DECK ONERA
Examinateur M. Damiano CASALINO Delft University of Technology
Examinateur Mme Salvetti MARIA VITTORIA Università di Pisa

Résumé de la thèse

La CFD (mécanique des fluides numérique) est un outil fiable et répandu en aérodynamique aéronautique pour prédire les écoulements dans des conditions proches des points de croisière nominaux. La prédiction fidèle de phénomènes aérodynamiques instationnaires impliquant des décollements massifs échappe encore aux calculs effectués à l'aide de la stratégie de modélisation de turbulence RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), qui est la norme dans le secteur. Le tremblement basse vitesse -- l'excitation mécanique de certains composants (l'empennage, par exemple) par le sillage d'un décollement localisé sur un composant en amont (la voilure, par exemple) -- tombe dans cette catégorie. Il est attendu des calculs résolvant les grandes échelles turbulentes qu'ils comblent cette lacune et qu'ils permettent ainsi l'élaboration de meilleurs aéronefs de façon plus économique et avec des cycles de conceptions plus courts. La LBM (méthode de Boltzmann sur réseau) semble être une bonne candidate pour relever le défi d'effectuer des calculs résolvant les grandes échelles turbulentes dans le processus de conception d'aéronefs. La modélisation de paroi, qui consiste à modéliser l'écoulement dans la zone interne de la couche limite, est crucial pour la LBM, plus encore que pour d'autres méthodes numériques. En effet l'utilisation de maillages cartésiens rend les calculs pleinement résolus de couches limites à fort nombre de Reynolds utopiques (même avec la modélisation RANS), et complique grandement la modélisation de paroi. De telles implémentations sont appelées "traitements de paroi". Ce travail repose sur ProLB, un solveur LBM développé par et appartenant à un groupement dont fait partie Airbus. Un traitement de paroi amélioré est développé dans ProLB à partir du traitement existant afin d'étendre le potentiel du solveur pour les écoulements attachés. Ces derniers sont un enjeu majeur pour le tremblement basse vitesse, au même titre que les écoulements décollés. Quatre éléments complémentaires sont introduits: un schéma d'entrée pour le modèle de paroi contournant l'interpolation du champ de vitesse proche des parois, la prise en compte du gradient discrétisé du modèle de paroi dans la condition limite LBM, l'élimination des nœuds trop proches des parois par rapport à la taille de maille locale et une précaution spécifique pour les mailles en surplomb au niveau des arrêtes vives. Le traitement de paroi amélioré est calibré et validé par des calculs RANS avec un simple modèle de paroi algébrique sur une plaque plane alignée avec le maillage en l'absence de gradient de pression et sur un profil d'aile NACA0012. La régularité des frottements et pressions pariétaux sont bien meilleurs qu'avec le traitement de base. La précision des résultats est aussi améliorée, dans les limites de la simplicité du modèle de paroi utilisé; les décollements ne sont pas correctement prédits. Le formalisme LES (simulation aux grandes échelles) donne un cadre pour la résolution des grandes échelles turbulentes mais sa mise en œuvre est compliquée pour des applications réalistes. Les modèles hybrides RANS-LES comme les dérivés de la DES (Detached Eddy Simulation), qui combinent les avantages de ces deux stratégies de modélisation de la turbulence, sont donc plus prometteurs dans le cadre industriel. Le modèle perfectionné ZDES mode 2 (2020) publié récemment est donc implémenté dans ProLB, et sa mise en application en conjonction avec le traitement de paroi amélioré est montrée sur un profil d'aile hypersustenté et une configuration générique d'avion hypersustenté.

Thesis resume

CFD (Computational Fluid Dynamics) is a trusted and widespread tool in aircraft aerodynamics for predicting flows in conditions close to design cruise points. Accurate predictions of unsteady aerodynamic phenomena involving massive flow separation still elude computations using the RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) turbulence modeling strategy, which currently is the industry standard. Low-speed buffet --- the mechanical excitation of some components (e.g. the tail planes) by the wake caused by local flow separation on an upstream component (e.g. on the wing) --- falls into this category. Scale-resolving computations (which explicitly resolve the largest turbulent scales) are expected to fill that capability gap, thus enabling the more cost effective development of better aircraft with shorter design cycles. The LBM (Lattice Boltzmann Method) appears as a good candidate for meeting the challenge of scale-resolving computations in the aircraft development process. Wall modeling --- the modeling of the flow within the inner boundary layer --- is crucial to the success of the LBM, even more so than for other numerical methods. Indeed the use of a Cartesian grid makes computing fully resolved high-Reynolds-number boundary layers utopian (even with RANS modeling), and greatly complicates the implementation of wall modeling. Such implementations are often referred to as "wall treatments". The present work is based on ProLB, a commercial LBM solver developed and co-owned by a consortium including Airbus. An improved wall treatment is developed in ProLB, based on the existing one, to expand the capabilities of the solver for attached flows. The latter are a major aspect of low-speed buffet, conjointly with separated flows. Four mutually complementing elements are introduced: the input scheme for the wall model circumvents interpolating the near-wall velocity field, the LBM boundary condition takes the discretized velocity gradient from the wall model into account, nodes too close to the wall relative to the local grid spacing are eliminated, and a specific precaution is taken regarding overhanging nodes occurring at sharp edges. This wall treatment is calibrated and validated on RANS computations with a simple algebraic wall model on a gird-aligned flat plate without pressure gradients and on a NACA0012 airfoil. The smoothness of skin frictions and surface pressures are greatly improved. Within the limitations of that simple wall model, the accuracy of the results is also enhanced, even though flow separation is not well predicted. The LES (Large Eddy Simulation) formalism provides a framework for scale-resolving turbulence modeling but its application in realistic cases is not straightforward. Hybrid RANS-LES models such as DES (Detached Eddy Simulation) derivatives, which combine the advantages of both turbulence modeling strategies, are thus most promising for an industry setting. The recently published advanced ZDES mode 2 (2020) model is thus implemented in ProLB, and the improved wall treatment is demonstrated on a high-lift airfoil and a generic high-lift aircraft configuration.