Development of a hybrid RANS-LES model for the prediction of unsteady loads at the wall
Développement d’un modèle hybride RANS-LES pour l’étude des efforts instationnaires en paroi
Résumé
This work is devoted to turbulence modelling using hybrid RANS-LES approaches. These approaches offer the best potential to reach the compromise between the capability of LES to capture the large-scale structures in regions of interest, and the low-computational cost of RANS calculations in regions where LES resolution is not required or too CPU-demanding, notably in near-wall regions. The industrial objective for EDF is to use these methods to predict unsteady loads on large components (reactor coolant pumps) of pressurized water reactors.In this regard, a new formulation of HTLES (Hybrid Temporal Large-Eddy Simulation) is developed, in order to improve the theoretical foundation of the model, applying the Hybrid-Equivalence criterion. The interest of this model lies in the use of temporal filtering, to control the energy partition between resolved and modeled scales, ensuring a consistent bridging between RANS and LES models. The HTLES approach is applied to several RANS models, and the model is calibrated in decaying isotropic turbulence. In addition, a similar analysis shows for the first time that it is possible, from theoretical considerations, to derive a hybrid RANS-LES model based on scale modifications in a RANS model, which explicitly tends towards a standard LES model in LES regions.The control of the RANS-to-LES transition in near-wall regions is a major concern in this work. In order to improve the behavior of the HTLES model, a two-fold shielding function (depending on physical parameters and mesh criteria) and an internal consistency constraint are introduced, aiming at enforcing the RANS mode when the activation of the LES mode is not suitable. The validation process of the upgraded version of the model is carried out on channel and periodic-hill flows, reaching the expected outcomes: accuracy of the predictions and robustness of HTLES to grid coarsening. Moreover, it is shown that resolved vortices coming from the LES zone penetrates into the near-wall RANS region down to the wall, enabling the hybrid model to fairly reproduce the low frequencies. The capacity of HTLES to provide information on energy and pressure spectra at the wall is assessed, which is decisive to predict unsteady loads. Hence, HTLES offers a cost-saving alternative to a wall-resolved LES.Finally, the work focuses on a zonal control of HTLES (enforcing the RANS mode in large portions of the domain where the LES mode is not required), applying the ALF (Anisotropic Linear Forcing) at the RANS-to-HTLES interfaces to promote turbulent fluctuations. This feasibility study offers promising results.
Cette thèse est consacrée à la modélisation de la turbulence avec des approches hybrides RANS-LES. Ces approches permettent d’assurer le meilleur compromis entre, d’une part, la capacité de la LES à capturer les structures instationnaires dans les régions d'intérêt de l’écoulement, et, d’autre part, un coût de calcul abordable en activant le mode RANS lorsque la résolution LES n’est pas nécessaire ou trop coûteuse, notamment en paroi. L’objectif industriel pour EDF est d’utiliser ces méthodes pour estimer les efforts instationnaires qui s’exercent sur certains gros composants (GMPP) des réacteurs à eau pressurisée.En premier lieu, une nouvelle formulation du modèle hybride HTLES (Hybrid Temporal Large-Eddy Simulation) est développée, dans le but d’améliorer ses fondations théoriques, en utilisant le critère de H-Equivalence. L'intérêt de ce modèle réside dans l'utilisation du filtrage temporel pour contrôler la répartition d’énergie entre les échelles résolues et modélisées, permettant de garantir la consistance entre les opérateurs RANS et LES. L’approche hybride est appliquée à différents modèles de fermeture RANS, et la calibration est effectuée sur la décroissance d'une turbulence homogène isotrope. De plus, des développements analytiques similaires permettent de proposer, pour la première fois, un modèle hybride fondé sur une modification d’échelle dans une formulation RANS qui tend explicitement vers un modèle LES préexistant.Le contrôle de la transition RANS-LES dans les régions de proche paroi est une problématique majeure de cette thèse. Afin d’améliorer le comportement du modèle HTLES, une fonction de protection double (dépendante à la fois de paramètres physiques et de critères liés aux maillages) et une contrainte de consistance interne sont proposées pour imposer le mode RANS en paroi lorsque la résolution LES n’est pas appropriée. Le modèle amélioré est validé sur les écoulements en canal plan et sur les collinespériodiques, avec des résultats très satisfaisants et robustes vis-à-vis du raffinement du maillage. Il est de plus montré pour le cas test des collines périodiques que des fluctuations turbulentes résolues dans la zone LES pénètrent dans la région RANS de proche paroi sans être trop altérées. Cela permet de capturer correctement les basses fréquences des spectres d'énergie turbulente et de pression en paroi, ce qui s'avère décisif dans le but d'estimer les efforts instationnaires sur des composants. Finalement, la HTLES offre une méthode de résolution alternative au coût numérique réduit par rapport à un modèle LES résolu en paroi.Enfin, la thèse s'intéresse à une version zonale de la HTLES (imposant le mode RANS dans les régions où la résolution LES n'est pas nécessaire), en appliquant le ALF (Anisotropic Linear Forcing) au niveau des interfaces RANS-HTLES afin de promouvoir l'apparition de fluctuations turbulentes résolues. Cette première étude de faisabilité offre des résultats prometteurs.Résumé en
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