Étude du phénomène de  décrochage par des méthodes instationnaires
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Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires. ALFEREZ Nicolas – année 2 Bourse : ONERA/DGA Directeur de thèse : Pr. Eric Lamballais (Pr. P. comte) (Institut Pprime, Poitiers) ‏ Encadrant ONERA : Ivan Mary, DSNA/ CS2A. 1. Plan. Contexte et motivations

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Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires

ALFEREZ Nicolas – année 2

Bourse : ONERA/DGA

Directeur de thèse : Pr. Eric Lamballais (Pr. P. comte)

(Institut Pprime, Poitiers)‏

Encadrant ONERA : Ivan Mary, DSNA/CS2A

1


Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

Plan

Contexte et motivations

Objectifs et description de l’approche

Premiers résultats

Conclusion et suite des travaux


Contexte origine physique

Contexte : origine physique

ONERA, H.Werlé

Le décrochage de profils d’ailes

  • D’origine visqueuse, le décrochage provient du décollement massif de la couche limite à l’extrados du profil. Ce décollement conduit à des performances aérodynamiques médiocres.

  • Conséquence pour l’industriel : La limite de décrochage constitue bien souvent une borne supérieure du domaine de vol des aéronefs.


Contexte g n ralit s sur le d crochage

Contexte : généralités sur le décrochage

Trois différents types de décrochage à vitesse modérées (McCullough & Gault, 1951) :

  • De type bord de fuite

    - profils épais (e/c >15% )

  • De type bord d’attaque

    - profils d’épaisseurs modérées (9% < e/c < 15%)

  • De type profils minces


Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

Contexte : décrochage dynamique

Décrochage dynamique : décrochage d’une surface portante lors d’une variation d’incidence (oscillation de tangage, pilonnement…). Il se traduit par une variation importante des coefficients aérodynamiques.

Vol d’avancement à grande vitesse

Faible vitesse et forte incidence en pale reculante

Vo

Décrochage dynamique

Hélicoptère en vol d’avancement :Incidence sur le disque rotor

Contraintes vibratoires importantes

Instabilités aéro-élastiques

Facteur limitant l’enveloppe de vol de l’hélicoptère


La simulation num rique des coulements

La simulation numérique des écoulements

  • L’approche directe : DNS

    (Kc>Kkolmogorov)

    Simulation de toutes les échelles, jusqu’aux échelles dissipatives

  • Simulation des grandes échelles : LES (Kénergétique<Kc<Kkolmogorov)

    Simulation des grandes échelles et modélisation des plus petites

  • L’approche moyennée : RANS

    Simulation de l’écoulement moyen stationnaire et modélisation de la turbulence.

EMPIRISME


Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

Contexte : échec de la simulation RANS

Décrochage dynamique Décrochage statique

Les méthodes RANS actuelles ne permettent pas de simuler convenablement le décrochage (statique ou dynamique)


Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

Description phénoménologique du décrochage

  • Couche limite turbulente hors équilibre :

  • Fort gradient de pression adverse

  • Transition par bulbe :

  • Modélisation RANS non adaptée

  • Dimensions caractéristiques faibles pour les expérimentateurs

Recollement

turbulent

Décollement

laminaire

Transition


Etudes r centes du d crochage l onera

Etudes récentes du décrochage à l’ONERA

  • Sur le décrochage dynamique :

    • Coopération ONERA/DLR (PRF SIMCOS)

    • Base de donnée expérimentale autour du profil OA209

    • Etude numériques à base de RANS, ZDES d’ailes OA209 en situation de décrochage dynamique

    • Rôle prépondérant du bulbe de décollement laminaire

  • Etude numérique haute résolution d’un profil OA209 à l’incidence de décrochage(I.Mary,V.Gleize)

    • Décrochage statique

    • Reynolds = 1 000 000

    • 2200 processeurs

    • 3 mois de calcul pour atteindre régime

      permanent


Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

CL

Analyse statistique du décrochage de bord d’attaque

  • Objectif : Comprendre les phénomènes physiques responsables du développement et de l’éjection du bulbe de décollement laminaire de bord d’attaque.

Itération sur tn

Montée en incidence progressive

  • Simulation QDNS de la montée en incidence depuisαc – εjusqu’àαc + ε

  • Nécessité de réduire au maximum l’intervalle [αc – ε , αc + ε ] pour limiter les effets dynamiques

  • Répéter l’opération à partir de différents instants initiaux tn pour construire une base de donnée pertinente en vue d’une étude statistique

    • - caractériser la dynamique tourbillonnaire de bord d’attaque lors du décrochage


Configuration

Configuration

  • Choix du profil : Naca-0012

    • Expériences OA209 à trop haut Reynolds (~106 )

    • Littérature abondante (expérience de Lee & Gerontakos, JFM 2004 à Reynolds 135 000)

    • Dynamique de décrochage similaire au profil OA209

      • Rec = 105

    • Coûts abordables

    • Dynamique tourbillonnaire de bord d’attaque similaire au cas à Re=106 (simulation de I.Mary,V.Gleize)

      • M∞=0,16 (compromis pour minimiser effet de compressibilité et temps de calcul)

      • Envergure domaine de calcul: 1 corde

  • •Nombre de points pour QDNS: 160 millions

    • Pas de temps : 0,15 μs

    • Intégration temporelle implicite (9 sous-itérations de Newton)

    • run de 11h sur 480 cœurs westmere = 5 temps d’advection (t u∞/c)

    • 3 runs nécessaires pour une expérience de montée en incidence


  • M thode num rique solveur funk

    Méthode numérique : solveur FUNk

    • Solveur structuré Multibloc

    • Equations de Navier-Stokes compressible

    • Volumes finis 2ème ordre

      • Schéma hybride centré/décentré (AUSM+P) basé sur un senseur d’irrégularitée

      • Schéma visqueux sur 3 points (1D)

    • Intégration temporelle

      - Implicite du 2nd ordre (Gear + Newton +LU-SGS)

    • Pas de modèles sous maille employés

    • Outil Cassiopee de pre-processing de l’ONERA

      - Découpage de maillage et équilibrage

      - Interface avec le logiciel de maillage (ICEM)

    • Codage d’une méthode ALE pour maillages indéformables (Thèsede G. Thierry)


    Optimisation du maillage pour am liorer isotropie des cellules

    Optimisation du maillage pour améliorer isotropie des cellules

    Maillage non conforme dans la direction de l’envergure:

    - Nz est bloc dépendant

    • Nz = 900

    • Nz = 300

    • Nz =150


    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Résultats : résolution pariétale dans la direction de l’écoulement

    9.8 deg = incidence avant décrochage

    11.8 deg= incidence post décrochage


    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Résultats : résolution pariétale dans la direction normale à la paroi

    9.8 deg = incidence avant décrochage

    11.8 deg= incidence post décrochage


    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Résultats : résolution pariétale dans la direction transverse

    9.8 deg = incidence avant décrochage

    11.8 deg= incidence post décrochage


    Evaluation de la r solution du maillage par rapport aux chelles dissipatives

    Evaluation de la résolution du maillage par rapport aux échelles dissipatives

    rapport entre la longueur de maille et l’échelle dissipative de Kolmogorov

    9.8 deg

    11.8 deg

    Direction: X y z


    Evaluation du frottement la paroi

    Evaluation du frottement à la paroi

    • Bulbe de décollement laminaire au bord d’attaque Lb =14% corde

    • Turbulent sur 80 % corde

    bulbe


    Coefficients de pression

    Coefficients de pression

    • Effondrement du Cp à 11.8°, portance faible => décrochage


    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Evaluation de Rtheta

    • Evolution comparable au calcul OA209 Re = 1 000 000 dans la zone aval du bulbe


    Premi res observations de la dynamique de bord d attaque

    Premières observations de la dynamique de bord d’attaque

    • Profil porté à 11,8°d’incidence depuis 9,8°, calcul effectué sur 15% corde


    Conclusion et suite des travaux

    Conclusion et suite des travaux

    • Avancées :

      • Reproduction de la dynamique instationnaire dans un cas de décrochage de bord d’attaque sur un profil Naca-0012

      • Encadrement de l’angle critique de décrochage statique

      • Dynamique satisfaisante, comparable aux observations plus haut Reynolds

  • Suite des travaux

    • Resserrer l’intervalle [αc-ε, αc+ε] (en cours)

    • Etude statistique systématique

    • Moyenne de phase

    • Analyse Dynamic Model Decomposition (P.Schmid), collaboration avec DAFE


  • Etape de mise en mouvement du maillage

    Etape de mise en mouvement du maillage

    • Formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) dans le cas particulier d’un maillage ne se déformant pas (d’après la thèse de Guillaume Thierry)

    Domaine de contrôle animé d’une vitesse arbitraire

    Vecteur des variables conservatives


    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Laminar bubble transition DNS on a flat plate

    Grid convergence

    Satisfying convergence in the transitional and turbulent regions.

    C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal,RANSModeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database.

    AIAA 2010-4444 - 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois

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    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    Laminar bubble transition DNS on a flat plate

    Validation : turbulent boundary layer

    Turbulent region :

    Validation by comparison of the kinetic energy budgets with Spalart’s DNS

    Good agreement with Spalart’s profiles is reached at (X−XR)/(XR−XS) = 2

    C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal,RANSModeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database.

    AIAA 2010-4444 - 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois

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    Tude du ph nom ne de d crochage par des m thodes instationnaires

    High fidelity flow simulation

    elsA-FUNk efficiency comparison: scalability

    Constant number if perfect scalability


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