simulation numérique des écoulements complexes écoulement...

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Simulation numérique des écoulements complexes écoulement moyen et viscosité sous-maille en collaboration avec - Pierre Borgnat , Hatem Touil (LP, ENSL) - Adrien Cahuzac, Jérôme Boudet, Joëlle Caro Liang Shao, Jean-Pierre Bertoglio (LMFA, ECL) - Guillaume Balarac (LEGI, Grenoble) - Federico Toschi (TU Eindhoven)

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Simulation numériquedes écoulements complexes

écoulement moyen et viscosité sous-maille

en collaboration avec

- Pierre Borgnat , Hatem Touil (LP, ENSL)- Adrien Cahuzac, Jérôme Boudet, Joëlle Caro

Liang Shao, Jean-Pierre Bertoglio (LMFA, ECL)- Guillaume Balarac (LEGI, Grenoble)- Federico Toschi (TU Eindhoven)

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Inhomogénéité - phénoménologie

!

" = #u2

: cisaillement

turbulence homogène et isotropeturbulence cisaillée

écoulement moyen + fluctuations

tourbillon

l 3/23/1)(/ lll!

"" #$uteddy!

"1

sheart

l

!"!

'uL

Kolmogorov’s theory

!"#2'u$

taux de dissipation d’énergie

!

u = u + " u : décomposition de Reynolds

écoulement autour d’un cylindre àReD=47000 (régime turbulent sous-critique)

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Simulation numérique desécoulements turbulents

goal= get a physically-sound numerical representation of the flow

-Direct Numerical Simulation (all scales of motion) is usually prohibitive

- alternatives = partial representation of the flow : - Reynolds-Averaged Navier-Stokes : mean flow

- Large-Eddy Simulation : large-scale dynamics of the flow

Does it make sense (from a physical viewpoint) ? What are the governing equations?

subgridgridgridt UU !" div)~(NS

~+=

Ssubgridsubgridsubgrid

~2I)(tr !"" #=#

SGS viscosity = property of the flow, not of the fluid… (very) bad news !

?)etc.,~

,~,( gridgridsubgrid UU !"#

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4

shearuniformlocally:j

j

i

iix

x

uuu !+"=

#

#

i

22

2dS),(),(),(

4

1)(T ! "

"

#

$

%%

&

'()+()(=

lB

j

j

iisgs lxul

x

ulxulxu

ll

*

+*

*++

,

!

" # sgs $ S = 2 % sgs(&) $ S 2

' Tsgs(&) & with & = grid spacing

- after some (exact) calculations from the Navier-Stokes equations…

!

" # u ($) % # S & $ and "U($) % S & $ ' ( sgs($) = (Cs$)2& S ) S ( )

- in the context of LES :

Effet du cisaillement en équations

Lévêque et al., J. Fluid Mech. (2007)Shear-Improved Smagorinsky Model

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5

If : Smagorinsky model for HI turbulence (Cs =0.17)

If : Shear-dominated SGS viscosity

SS~~

>>!

SS~~!>>

( ) ( ) SCu

C sssgs

~)( 22!"#$

#

#!"#$%

&

( )S

SCssgs ~

~ 2

2!

"#$%

MINUS :PLUS :→ physically-sound, no ad-hoc parameter→ low computational cost→ easy to parallelize→ convenient for boundary conditions

→ requires estimation of mean-flowas the simulation runs!

!

" sgs(#) = (Cs#)2$ S % S ( )

signal processing

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Application to complex-geometryunsteady turbulent flows (real-world flows)

How to extract (or reconstruct) the mean flow as the simulation runs ?

- physically sound : smoothing in time mean flow = low-frequency component of the flow

-manageable from computational viewpoint : recursive filter-adaptive : Kalman filtering

Cahuzac et al., in press Phys. Fluids (2010)

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grid cut-offsmoothingcut-off (fc)

SGS

very-largescales resolved

scales

SISM

f

Euu(f)in

stab

ilitie

s

turb

ulen

ce cascade

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Exponentially-weighted moving averageexponential smoothing

!

cexp =2" fc #t

3$ 3.628 fc #t

conceptually simple local in space low memory storage

MINUS :PLUS :

uniform physically-sound cut-off frequency ? unavoidable phase delay :

!

"t / cexp

)1(

exp

)(

exp

)1()1( ++

!+!"=nnn

ucucu

-cexp : smoothing factor- equivalent tp first-order low pass filter with cut-off frequency fc :

at each grid point

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Low-pass Kalman filter adaptive exponential smoothing

)1()()1( +++=

nnn

uuu !

control increment = random noise with fixed variance

!

"# u

=2$ fc %t

3& u

*

)1()1()1( ++++=

nnnuuu !

deviation from the estimated mean = random noise with variance

: observation

: model

K(n+1) optimal Kalman gain (given by theory)!

"#u

(n+1)=max u

*$ u

(n+1)% u

(n+1), 0.1$ u

*2[ ]

periodsstationaryfor/ .expcuu=!!

""

)1()1()()1()1()1( ++++

!+!"=nnnnn

uKuKu

why ?

predict and update :

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10!/*ufc =

!

u*

= uwall

3.106 mesh-pointsΔr+=1, RΔθ+=20, Δz+=25

resolution: 49x89x41Δx+=52, Δz+=31, Δy+=0.5…24

!

St = fs "D /U#

!

fc = 2 f s

Strouhal numberfriction velocity

Practical evaluation of the methodTurb’Flow solver (Jérôme Boudet, LMFA):

- Finite volume- Convective fluxes by centered schemes on four points- Diffusive fluxes by centered scheme on two points- SGS model = Shear-Improved Smagorinsky Model (SISM)

plane-channel Flow at Rew = 395 flow past a circular cylinder at ReD = 47,000

Cahuzac et al. Phys. Fluids (2010)

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… spatial average (along x-z)

… exponential smoothing compared tospatial average (along x)

… Kalman filtering

Velocity probes at y+=10 in the plane-channel flow (Rew=395)

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streamwise velocity profile turbulent intensity profiles

Plane-channel flow

comparisons with DNS data

friction velocity:

1.59.0!

= smuDNS

w

1.exp.54.0!

= smuw

within the 10% level of accuracyreviewed for standard SGS models

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spanwise spectraof streamwise velocity

plane-channel flow

comparisons with DNS data

two-point velocity correlationfor spanwise separation

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plane-channel flow

comparisons with DNS data

two-point correlation functions… promising for aero-acoustics

streamwise

spanwise

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!

Cp =p " p#1

2$U#

2

!

Cf ="w

1

2#U$

2

% Re

2

2

1

!

="

U

pC rmsp

#

flow past a circular cylinder

Friction and pressure coefficients

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flow past a circular cylinder

mean flow andturbulence intensities

Work in progress...

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flow past a circular cylinder

comparisons with experimental dataspectra in frequency

(a)

(a)(b)

(b)

(c)

(c)

1.8 D

… promising for aero-acoustics

fc

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« Adaptivity » of the Kalman filter

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flow past a circular cylinder

a drawback of the smoothing: phase delay

KalmanKt/!

10 <<KalmanK

… make KKalman maximum inseparation zone

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Conclusion

from a physical viewpoint :- take into account mean-flow inhomogeneity + unsteadiness :

SISM (no ad-hoc parameter) + (adaptive) temporal smoothing

from a numerical viewpoint :- inconditionnally stable- low cost algorithms- easy to parallelize + convenient for boundary conditions

To-Do list:- address realistic turbo-machinery flow / aero-acoustic features

Flocon project (LMFA) : Adrien Cahuzac + Jérôme Boudet- reduce phase delay :

- improve Kalman filter- consider Lagrangian filtering (along fluid trajectory)

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Plane channel flow (academic flow)Lévêque et al., J. Fluid Mech. (2007)Boudet et al., J. of Therm. Science. (2008)Cahuzac et al. Phys. Fluids (2010)

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flow past a circular cylinder

comparisons with experimental data

flow characteristics

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Mesh resolution