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01 décembre 2008
Nombre de lectures
30
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Français
Poids de l'ouvrage
6 Mo
Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Dynamique des Fluides Présentée et soutenue par Rémi BOURGUET Le 3 décembre 2008 Analyse physique et modélisation d'écoulements turbulents instationnaires compressibles autour de surfaces portantes par approches statistiques haute-fidélité et de dimension réduite dans le contexte de l'interaction fluide-structure JURY Mme. Marianna BRAZA Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse Directrice de thèse M. Patrick CHASSAING Professeur à l'INP, Toulouse Examinateur M. Alain DERVIEUX Directeur de Recherche INRIA, Sophia-Antipolis Examinateur M. Jeau-Paul DUSSAUGE Directeur de Recherche CNRS, IUSTI, Marseille Rapporteur M. Julian HUNT Professeur à University College London, Royaume-Uni Président M. George KARNIADAKIS Professeur à Brown University, Providence, Etats-Unis Rapporteur M. Frank THIELE Professeur à Technische Universität Berlin, Allemagne Examinateur M. José Eduardo WESFREID Directeur de Recherche CNRS, ESPCI, Paris Rapporteur MEMBRE INVITE M. Alain SEVRAIN Maître de Conférences à l'INP, Toulouse Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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- mémoire
THESE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Dynamique des Fluides Présentée et soutenue par Rémi BOURGUET Le 3 décembre 2008 Analyse physique et modélisation d'écoulements turbulents instationnaires compressibles autour de surfaces portantes par approches statistiques haute-fidélité et de dimension réduite dans le contexte de l'interaction fluide-structure JURY Mme. Marianna BRAZA Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse Directrice de thèse M. Patrick CHASSAING Professeur à l'INP, Toulouse Examinateur M. Alain DERVIEUX Directeur de Recherche INRIA, Sophia-Antipolis Examinateur M. Jeau-Paul DUSSAUGE Directeur de Recherche CNRS, IUSTI, Marseille Rapporteur M. Julian HUNT Professeur à University College London, Royaume-Uni Président M. George KARNIADAKIS Professeur à Brown University, Providence, Etats-Unis Rapporteur M. Frank THIELE Professeur à Technische Universität Berlin, Allemagne Examinateur M. José Eduardo WESFREID Directeur de Recherche CNRS, ESPCI, Paris Rapporteur MEMBRE INVITE M. Alain SEVRAIN Maître de Conférences à l'INP, Toulouse Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
- présentation générale du code nsmb
- paramètres numériques
- équations de navier-stokes pour les écoulements compressibles
- ecoulements compressibles
- solveur nsmb pour la simulation des écoulements turbulents
- transition vers la turbulence dans les écoulements incompressibles
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THESE
En vue de l’obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Dynamique des Fluides
Présentée et soutenue par Rémi BOURGUET Le 3 décembre 2008 Analyse physique et modélisation d’écoulements turbulents instationnaires compressibles autour de surfaces portantes par approches statistiques haute-fidélité et de dimension réduite dans le contexte de l’interaction fluide-structure
JURY Mme. Marianna BRAZA Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse Directrice de thèse M. Patrick CHASSAING Professeur à l’INP, Toulouse Examinateur M. Alain DERVIEUX Directeur de Recherche INRIA, Sophia-Antipolis Examinateur M. Jeau-Paul DUSSAUGE Directeur de Recherche CNRS, IUSTI, Marseille Rapporteur M. Julian HUNT Professeur à University College London, Royaume-Uni Président M. George KARNIADAKIS Professeur à Brown University, Providence, Etats-Unis Rapporteur M. Frank THIELE Professeur à Technische Universität Berlin, Allemagne Examinateur M. José Eduardo WESFREID Directeur de Recherche CNRS, ESPCI, Paris Rapporteur MEMBRE INVITE M. Alain SEVRAIN Maître de Conférences à l’INP, Toulouse
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
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Remerciements
Je remercie Olivier Simonin et Jacques Magnaudet, Directeurs successifs de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), pour m’avoir accueilli au sein de cet Institut en tant que doctorant. Je remercie également Henri Boisson, Directeur Adjoint de l’IMFT, pour son accueil et l’aide qu’il a su m’apporter en qualité de correspondant de l’école doctorale. J’ai été très honoré que Julian Hunt accepte de présider mon jury de thèse ; je souhaite le remercier et lui adresser ici toute ma reconnaissance pour avoir orchestré magistralement ma soutenance. Je remercie Jean-Paul Dussauge, George Karniadakis et José Eduardo Wesfreid pour avoir évalué mes travaux de thèse en tant que rapporteurs. Je remercie Frank Thiele pour avoir accepté de prendre part à mon jury. Je souhaite remercier Patrick Chassaing pour sa participation à mon jury mais aussi pour son soutien et la confiance qu’il m’a accordée lors de l’encadrement de séances d’enseignement en aérodynamique. Je remercie Marianna Braza pour avoir assuré la direction de mes travaux de thèse. Je lui suis très reconnaissant de m’avoir accueilli au sein du groupe Ecoulements Monophasiques Transitionnels et Tur-bulents (EMT2) et d’avoir accepté de partager son expérience dans le domaine de l’analyse physique et de la modélisation des écoulements turbulents. Je remercie Gilles Harran et Alain Sévrain pour leurs conseils avisés que ce soit en interaction fluide-structure ou en traitement du signal. Je les remercie également de m’avoir fait part de leur sens de la pédagogie et de m’avoir permis d’intervenir dans le cadre de leur enseignement portant sur les systèmes dynamiques. Je remercie Alain Dervieux pour son soutien au cours de ces trois années de thèse et pour ses conseils précieux, en particulier dans le domaine de la modélisation d’ordre réduit d’écoulements. Je le remercie également d’avoir participé à mon jury de thèse. Je souhaite remercier Jan Vos et Yannick Hoarau pour leur collaboration essentielle lors de l’implan-tation du modèle à viscosité de turbulence tensorielle dans le code NSMB. Je remercie en particulier Jan Vos pour m’avoir accueilli si chaleureusement à Lausanne et pour le temps qu’il a consacré à ces travaux. Je remercie Yannick Hoarau pour ses conseils tout au long de cette thèse, en particulier quant au “bon usage” de NSMB. Je remercie Joseph Gergaud qui m’a permis de prendre part à diverses activités d’enseignement en mathématiques sous sa responsabilité. Je remercie Gilles Martin, responsable du Service Informatique de l’IMFT, ainsi que l’ensemble du personnel de ce service pour leur diligence et leur efficacité. Je remercie également Alexei Stoukov, res-ponsable du Service CoSiNus, en particulier pour ses conseils concernant la gestion des ressources in-formatiques. Je remercie Christine Tristani, secrétaire du groupe EMT2, pour son aide dans nombre de démarches administratives, parfois tortueuses. Je remercie Muriel Boutic Sabater, responsable du Service de Reprographie, pour son professionnalisme et sa gentillesse. Au sein du groupe EMT2, j’ai apprécié les multiples échanges scientifiques et autres avec les collègues doctorants et post-doctorants : Guillaume Barbut, Arnaud Barthet, Sébastien Bourdet, Romain Gers, Thibaud Marcel, Guillaume Martinat, Kaushik Kumar Nagarajan et Rodolphe Perrin. Je remercie chaleureusement Benjamin Levy pour les riches discussions de cette dernière année de thèse, qu’il s’agisse d’expérimentations en soufflerie ou de politique internationale, Julien Favier pour ses conseils, sa vision de la place de la Recherche dans la Société et pour les nombreux débats d’idées auxquels nous avons pu nous livrer, même à distance et Joël Clément pour son amitié et sa bienveillance. Je tiens à remercier mes parents, Jean-Claude et Martine Bourguet, pour leur écoute attentive et leurs encouragements, particulièrement cruciaux au cours des trois dernières années. Je souhaite enfin remercier Laure Gandois pour son soutien indéfectible et pour tout le reste.
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Tabledesmati`eres
1 Introduction 1 1 La modélisation des écoulements aérodynamiques réalistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 La démarche de modélisation hiérarchique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 Positionnement et objectifs de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3.1 Modélisation “haute-fidélité” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2 Modélisation d’ordre réduit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 Organisation du mémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Ecoulements instationnaires autour de surfaces portantes 7 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Transition vers la turbulence dans les écoulements incompressibles à nombres de Reynolds modérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1 Ecoulements autour d’un cylindre circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Ecoulements transitionnels autour d’une aile à forte incidence . . . . . . . . . . . . 12 3 Ecoulements pariétaux turbulents instationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1 Couche limite turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Ecoulements turbulents instationnaires autour d’ailes . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4 Ecoulements compressibles instationnaires autour de surfaces portantes . . . . . . . . . . 23 4.1 Décollement de la couche limite induit par une onde de choc . . . . . . . . . . . . 23 4.2 Transition vers la turbulence dans les écoulements compressibles à nombres de Reynolds modérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.3 Ecoulements compressibles autour d’ailes à grands nombres de Reynolds . . . . . . 27 5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 Résolution numérique des équations de Navier-Stokes pour les écoulements compres-sibles 31 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2 Les équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles . . . . . . . . . . . . . 32 2.1 Equations du mouvement d’un fluide visqueux compressible . . . . . . . . . . . . . 32 2.2 Formulation adimensionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3 Expression dans le plan transformé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 Le modèle discrétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1 Discrétisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 Conditions initiales et aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1 Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5 Validation du code de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.1 Résultats de validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.2 Maillages considérés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6 Le solveur NSMB pour la simulation des écoulements turbulents instationnaires . . . . . . 42 6.1 Présentation générale du code NSMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.2 Paramètres numériques retenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 7 La résolution numérique des équations de Navier-Stokes dans cette étude . . . . . . . . . 44
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