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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

Plan

1. Contexte et motivations

2. Objectifs et description de l’approche

3. Premiers résultats

4. Conclusion et suite des travaux

Contexte : origine physique

Le décrochage de profils d’ailes

ONERA, H.Werlé

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 : 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

Contexte : décrochage dynamique

Facteur limitant l’enveloppe de vol de l’hélicoptère

Vol d’avancement à grande vitesse

Faible vitesse et forte incidence en pale reculante

Décrochage dynamique

Contraintes vibratoires importantesInstabilités aéro-élastiques

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.

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

Vo

La simulation numérique des écoulements

1. L’approche directe : DNS

(Kc>Kkolmogorov)

Simulation de toutes les échelles, jusqu’aux échelles dissipatives

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

Simulation des grandes échelles et modélisation des plus petites

3. L’approche moyennée : RANS

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

EM

PIR

ISM

E

Contexte : échec de la simulation RANS

Les méthodes RANS actuelles ne permettent pas de simuler convenablement le décrochage

(statique ou dynamique)

Décrochage dynamique Décrochage statique

Description phénoménologique du décrochage

Décollement laminaire Transition

Recollementturbulent

Couche limite turbulente hors équilibre :

• Fort gradient de pression adverse

Transition par bulbe :

• Modélisation RANS non adaptée

• Dimensions caractéristiques faibles pour les expérimentateurs

Etudes récentes du décrochage à l’ONERA

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

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

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

Analyse statistique du décrochage de bord d’attaque

Montée en incidence

progressive

Itération sur tn

• Simulation QDNS de la montée en incidence depuis αc – ε jusqu’à αc + 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

CL

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

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 (Thèse de G. Thierry)

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

Résultats : résolution pariétale dans la direction de l’écoulement

9.8 deg = incidence avant décrochage

11.8 deg= incidence post décrochage

9.8 deg = incidence avant décrochage

11.8 deg= incidence post décrochage

Résultats : résolution pariétale dans la direction normale à la paroi

9.8 deg = incidence avant décrochage

11.8 deg= incidence post décrochage

Résultats : résolution pariétale dans la direction transverse

Evaluation de la résolution du maillage par rapport aux échelles dissipatives

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

Direction: X y z

9.8 deg

11.8 deg

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

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

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

Evaluation de Rtheta

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

• 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

• 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

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Laminar bubble transition DNS on a flat plateLaminar bubble transition DNS on a flat plate

Satisfying convergence in the transitional and turbulent regions.

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Grid convergence

Million points 4.6 12 20 60 200NxNyNz

9647360

127610585

1436125110

1680150220

3189180332

Length 276 S = 11.5 LB

Height 5 − 21 S; h(x) > 2(x)

Spanwise 12 S = 0.5 LB

Million points 4.6 12 20 60 200

+x (bubble area)

+y (bubble area)

+z (bubble area)

242.123

151.517

12113

90.66.5

60.454.3

+x (downstream)

+y (downstream)

+z (downstream)

422.117

321.513

35110

270.75

110.65

3

C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal, RANS Modeling 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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Validation : turbulent boundary layer

Turbulent region :

Validation by comparison of the kinetic energy budgets with Spalart’s DNSGood agreement with Spalart’s profiles is reached at (X−XR)/(XR−XS) = 2

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Laminar bubble transition DNS on a flat plateLaminar bubble transition DNS on a flat plate

C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal, RANS Modeling 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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elsA-FUNk efficiency comparison: scalability

Number of Core 32 64 128 256

CPU /subiteration/ cells

(μs)

elsA 3.21 3.26 3.41 3.62

FUNk 0.90 0.91 0.93 0.95

fGflops elsA 19 38 71 135

FUNk 68 134 261 512

CPU elsA / CPU FUNk 3.53 3.56 3.66 3.79

High fidelity flow simulation

Constant number if perfect scalability