Fiabilité et évaluation des incertitudes pour la simulation numérique de la turbulence : application aux machines hydrauliques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Reliability and uncertainty assessment for the numerical simulation of turbulence: application to hydraulic machines

Fiabilité et évaluation des incertitudes pour la simulation numérique de la turbulence : application aux machines hydrauliques

Résumé

The reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to include into the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practice on the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve the description of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experiments keep arising even though uncertainties are taken into account. The present work applies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive Spectral Projection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertain inlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflow conditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulent quantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance of quantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify in this way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a grid convergence approach, are such the discrepancies between computation and experiment cannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurations under study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations are verified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids (since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows under study, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Taking into account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy for the Francis turbine distributor under study.
La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en oeuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche nonintrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse, en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée. Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié.
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Dates et versions

tel-01144878 , version 1 (22-04-2015)
tel-01144878 , version 2 (04-06-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01144878 , version 1

Citer

Olivier Brugière. Fiabilité et évaluation des incertitudes pour la simulation numérique de la turbulence : application aux machines hydrauliques. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Grenoble University, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01144878v1⟩
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