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LE COUPLAGE DE MODELES : DEVELOPPEMENTS DANS CODE SATURNE ET CALCULS PRELIMINAIRES

ETUDES ET DEVELOPPEMENTS AU SEIN DE CODE SATURNE Flavien BILLARD Journée « Présentations des Thésards». 1. LE COUPLAGE DE MODELES : DEVELOPPEMENTS DANS CODE SATURNE ET CALCULS PRELIMINAIRES. 1.1 PRESENTATION GENERALE DU COUPLAGE ET DE SES POTENTIALITES. Couplage Saturne/Saturne :

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LE COUPLAGE DE MODELES : DEVELOPPEMENTS DANS CODE SATURNE ET CALCULS PRELIMINAIRES

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Presentation Transcript

  1. ETUDES ET DEVELOPPEMENTS AU SEIN DE CODE SATURNEFlavien BILLARD Journée « Présentations des Thésards»

  2. 1 LE COUPLAGE DE MODELES : DEVELOPPEMENTS DANS CODE SATURNE ET CALCULS PRELIMINAIRES

  3. 1.1 PRESENTATION GENERALE DU COUPLAGE ET DE SES POTENTIALITES Couplage Saturne/Saturne : plusieurs exécutions de Code_Saturne sur différents domaines qui peuvent se recouvrir On peut coupler différents types de modèles (RANS/LES mais aussi k-w/SSG, ...) Communication des instances a l'aide de MPI L'intégration des données distantes se fait soit en imposant des conditions aux limites, soit en rajoutant une force volumique a l'équation de conversation de QDM. Les différents maillages peuvent bouger les uns par rapport aux autres (cf recouvrement méthodes Chimera)

  4. 1.2 INTERETS DU COUPLAGE DE MODELES (1/2) Un exemple : supernimbus

  5. 1.2 INTERETS DU COUPLAGE DE MODELES (2/2) • Deux zones sont problématiques : • mélange fluide froid et chaud dans la zone de piquage • Fluctuation thermique dans la zone du coude au niveau de la stratification • Défauts du RANS : • Économique mais parfois imprécis • Ne donne aucune information sur • les spectres de pression, • de température ... • LES envisageable • Mais traiter tout le domaine en LES est trop coûteux; le reste du domaine étant très gros par rapport aux zones intéressantes • AUTRES INTERETS : « Parois RANS » à Reynolds élevé, maillages mobiles, ...

  6. 1.3 FONCTIONNEMENT ET DIFFICULTES (1/2) La méthodologie du couplage Les coordonnées de F (centre d'une cellule ou d'une face) sont envoyées à l'instance RANS Le solveur RANS détermine quelle cellule contient le point F Le solveur RANS interpole la valeur de la variable désirée en F La valeur interpolée est envoyée au solveur LES Pendant ce temps ... la même chose est faite dans l'autre sens RANS LES I F I 1 F 3 4 L'interpolation (étape 3) : La variable est calculée en F en utilisant le gradient en I

  7. 1.3 FONCTIONNEMENT ET DIFFICULTES (2/2) Pour les points de la zone de recouvrement il est possible d'ajouter une force volumique (terme source de QDM) pour « forcer » la continuité dans la zone de recouvrement  La continuité des variables est assurée aux frontières couplées, même sans forçage Conversion de statistiques RANS en données instantanées LES (--> génération synthétique de turbulence) (et vice versa) Difficultés liées aux maillages mobiles (correction du flux de masse) Zone de recouvrement (hachuré) ,:temps de relaxation, vaut 100 Dt dans nos calculs Autres difficultés du couplage :

  8. 1.4 LE COUPLAGE DANS CODE_SATURNE (1/2) L'implémentation : Lancement de plusieurs instances cs12.exe en parallèle Librairie FVM(Finite Volume Mesh) développée par Yvan Fournier : utilise MPI, localisation d'un ensemble de points sur un maillage distant, permettant la mise en relation d'éléments (cellules et faces de bord) de différentes instances pour une interpolation/communication des variables échangées Interfaçage FVM/MPI Code Saturne : routines de couplage spécifiques dans le noyau (cs_couplage.c) Partie « physique » du couplage : interpolation, conversion données RANS <-> données LES, forçage éventuel, ... Modification du noyau pour intégrer la potentialité « maillages mobiles » : prise en compte d'un terme de correction du flux de masse dans les équations de N.S., localisation dynamique des points couplés dans les maillages distants

  9. 1.4 LE COUPLAGE DANS CODE_SATURNE (2/2) LES -> RANS : moyennes statistiques (temporelles (Running Average) et éventuellement spatiales si directions d'homogénéité) RANS -> LES : nécessité une méthode de génération synthétique de turbulence Trois méthodes sont actuellement disponibles dans Saturne La méthode des Vortex (versée dans la V1.2, Sergent et al.) La Synthetic Eddy Method (SEM) (généralisation de la méthode des vortex en 3D), développée par Nicolas Jarrin (University of Manchester) La méthode de Batten Aussi utilisée pour générer des conditions aux limites instationnaires dans un calcul LES cas du développement spatial de turbulence

  10. 1.5 CHOIX D’UNE METHODE DE GENERATION SYNTHETIQUE DE TURBULENCE (1/3) La méthode des Vortex Évolutions de N structures sur un plan Chaque structure i génère de la vorticité à partir de k et epsilon où et De cette distribution de vorticité on en déduit le champ de vitesse, par l’inversion d’un rotationnel : Avantage : champ à divergence nulle Inconvénient : utilisation restreinte à des cas simples

  11. 1.5 CHOIX D’UNE METHODE DE GENERATION SYNTHETIQUE DE TURBULENCE (2/3) La Synthetic Eddy Method Évolution de N structures dans une boite autour de l’interface et convection des structures par le champ moyen Chaque structure S génère pour chaque point I, un champ de fluctuation normalisé : Reconstruction du champ des fluctuations à partir des données statistiques (champ moyen de vitesse et décomposition de Cholesky du tenseur de Reynolds) : avec A = Avantages : utilisable dans tous types d’application industrielles

  12. 1.5 CHOIX D’UNE METHODE DE GENERATION SYNTHETIQUE DE TURBULENCE (2/3) Comparaison des deux méthodes : Cas du calcul : Résultats (la SEM>Vortex car elle reproduit exactement le tenseur de Reynolds)

  13. 1.6 PREMIER TEST : COUPLAGE AMONT / AVAL

  14. 1.7 PREMIERE APPLICATION : LE CANAL Re*=395 (1/3) • Couplage tangentiel LES <-> k-omega • avec utilisation de la SEM Seulement 1 cellule dans les directions x et z des instances RANS

  15. 1.7 PREMIERE APPLICATION : LE CANAL Re*=395 (2/3) Au même point : la solution RANS converge et la solution LES fluctue autour

  16. 1.7 PREMIERE APPLICATION : LE CANAL Re*=395 (3/3) • Le profil de vitesse est plutôt bien prédit (dans la zone log en particulier) • Le calcul RANS, k-w, fournit des données turbulentes isotropes à la LES, mais des profils anisotropes d'énergie sont constatés sur la LES • Le pic de u'² est trop loin du mur (mur artificiel peut être du au fait que l'on impose des conditions de Dirichlet sur les variables à l'interface)

  17. 1.8 CANAL A REYNOLDS PLUS ELEVE (RE*=2000) Re*=2000 : plus « industriel » • Quand aucun forçage n'est imposé, le résultat est similaire à celui obtenu en utilisant des lois de parois • L'épaisseur de la zone de recouvrement ne semble pas avoir un effet très important (100, en adimensionnel semble suffisant)

  18. 1.8 CANAL A REYNOLDS PLUS ELEVE (RE*=2000) • L'idéal semble être de commencer la LES a Y+=50 (ce qui était le cas à Re*=395) • D'autres tests concernant la zone de recouvrement sont en cours ...

  19. 1.8 CANAL A REYNOLDS PLUS ELEVE (RE*=2000) • Le pic de u'2 dépend de la position de la frontière LES : encore une fois, la LES semble « voir » une paroi en frontière, a cause des conditions de Dirichlet imposées ...

  20. 1.9 LA MARCHE DESCENDANTE (1/4) Présentation du cas Symétrie Entrée, Umax h solution attendue : 2 re-circulations Re-attachment a une distance de 6.6h de la marche

  21. 1.9 LA MARCHE DESCENDANTE (1/4) Dans les instances RANS, seulement deux cellules selon Z

  22. 1.9 LA MARCHE DESCENDANTE (1/4) Sans forçage : on a une recirculation, mais celle-ci semble être limitée par la frontière LES

  23. 1.9 LA MARCHE DESCENDANTE (1/4) • En forçant : la solution n'est pas physique • D'autres tests sont en cours : zone de recouvrement, raffinement du maillage, échelle de temps dans le terme de forçage, SEM, ...

  24. 2 L'UTILISATION DU COUPLAGE EN MAILLAGE MOBILE : PREMIERS TESTS ET PRESPECTIVES ...

  25. 2.1 COUPLAGE EN MAILLAGE MOBILE Cas typique : écoulement autour d'un cylindre : calcul d'IFS (perspective : écoulement dans un faisceau de tubes (GV)) Zone de recouvrement (forçage) Frontière du premier maillage (mobile) Frontières du deuxième maillage (fixe) Structure cylindre (CF et CL sont calculés et une équation masse/ressort my''+Cy'+ky=F est résolue pour déplacer le cylindre) • Mise en oeuvre dans Code_Saturne : • Localisation dynamique des points couplés dans le maillage distant • Correction du flux de masse dans N.S

  26. 2.2 COUPLAGE EN MAILLAGE MOBILE : RESULTATS Premier test en couplage tangentiels de trois modèles RANS différents SSG en bas, k-w en haut et k-epsilon au centre

  27. 2.3 COUPLAGE EN MAILLAGE MOBILE : RESULTATS Premiers calculs : écoulement autour d'un cylindre, peigne de mélange, vanne. LES FILMS : cylindre, peigne, vanne Perspective à très court terme : utilisation du couplage CS/CS avec couplage avec Aster

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