Turbulence et couche limite
Description
Le cours aborde plusieurs traits caractéristiques des écoulements turbulents : mécanismes fondamentaux, cascade de Kolmogorov, équations-bilans, cas des écoulements en configuration simple. Les différentes approches (RANS, LES, DNS) liées à la nécessaire description et modélisation de la turbulence sont également présentées et contextualisées dans la cadre d’applications industrielles et académiques
Le projet fil-rouge du cours comporte plusieurs parties démarrées en séance. Ce projet permet de se familiariser avec la mise en données d'un calcul RANS sous le logiciel Ansys Fluent, d’étudier des configurations canoniques pour retrouver les propriétés classiques de certains écoulements turbulents particuliers (couche limite, jet). La dernière partie du projet est l’occasion de mener une analyse critique sur un écoulement complexe.
Numéro de trimestre
Prérequis
Syllabus
- Cours : Introduction & Généralités ; Production, Dissipation, Transfert entre échelles ; Echelles énergétiques et dissipatives ; Cascade de Kolmogorov
- TD : Coût DNS, décroissance THI
Séance 2 : Equations-bilan moyennées
- Cours : Simulation numérique directe (DNS) ; Décomposition de Reynolds ; Equations bilan moyennées (RANS) ; Problème de fermeture, Tenseur de Reynolds ; Flux de transfert turbulent (chaleur, espèces)
- TD : Démarrage du projet
Séance 3 : TD Jet turbulent bidimensionnel
Séance 4 : Modèles de fermeture RANS
- Cours : Propriétés tenseur de Reynolds ; Hypothèse de Boussinesq, Diffusion turbulente ; Viscosité turbulente et totale/effective ; Hypothèse diffusion gradient ; Nombres de Prandtl et Schmidt turbulents ; Modèles algébriques, à une équation, à deux équations ; Modèle k-ε standard
- TD : Suite du Projet
Séance 5 : Ecoulements turbulents pariétaux
- Cours : Ecoulements de canal (Régime établi ...) ; Structure couches limites mécanique et thermique ; Contrainte et flux totaux ; Vitesse et température de frottement ; Zone externe/interne ; Sous-couche visqueuse/ZoneTampon/ Zone Logarithmique ; Loi de frottement cf(Re) implicite
Séance 6 : Projet
Séance 7 : Analyse spectrale et Simulation aux grandes échelles
Cours : Spectre d’énergie cinétique turbulente, de dissipation, de production ; Zone inertielle du spectre ; Transfert entre échelles ; Simulation aux grandes échelles (LES) ; Définitions de filtres ; Equations filtrées, modèles de sous-maille ; Modèle de Smagorinsky ; Avantages/Inconvénients LES, modèles de paroi et approches hybrides- TD : Support au projet
Composition du cours
Il est recommandé d’avoir suivi le cours de CFD qui comprend la formation à l’utilisation d’Ansys Fluent. Une formation préalable à Fluent n’est néanmoins pas obligatoire dans la mesure où son utilisation pour réaliser le projet est présentée en cours.
- 7 séances de cours + 20 min. de soutenance lors d’un créneau quelques semaines après la dernière séance.
Notation
La note est déterminée à partir d’une soutenance sur le projet final qui permet d’évaluer les capacités d’analyse.
Résultats de l'apprentissage couverts par le cours
- A la fin de cet enseignement, l’élève sera capable de :
- Faire un dimensionnement grossier des grandeurs-clé d’un écoulement turbulent
- Juger les avantages/inconvénients d’une approche de modélisation de la turbulence
- Reconnaître les propriétés fondamentales d’une écoulement turbulent simple : jet, couche limite sans gradient de pression
- Mener et analyser des simulations numériques d’écoulements turbulents