Modelling turbulent flows in the natural convection regime using hybrid RANS- LES approaches
Modélisation des écoulements turbulents en régime de convection naturelle par approches hybrides RANS-LES
Résumé
The present thesis is devoted to the development and validation of turbulence models for natural convection flows.Flows driven solely by buoyancy effects, i.e., density variations occurring in the fluid medium caused by the presence of temperature gradients, are termed as /natural convection flows/.Buoyancy affected flows play an important role in many industrial and environmental applications, for instance, in the sectors of the two industrial partners; EDF: for the design of nuclear power plants and PSA Group: for the design of under-hood space of auto-mobiles.In order to avoid expensive experiments and promote rapid design and development, it is quintessential to employ efficient, robust, and accurate CFD models to simulate such flows.The thesis represents the conclusion of the project MONACO_2025 (MOdelling NAtural COnvection 2025) aimed at developing a range of turbulence models accounting for buoyancy.Research and development in the industrial context is still dominated by the use of RANS models, in particular the use of first order eddy-viscosity models thanks to their affordability.To that end, the first part of model developments are focussed on the RANS strategy.Building up on the buoyancy sensitised eddy-viscosity model (Full buoyancy extension (FBE)) previously developed as part of the MONACO_2025 project, the performance of these models is assessed in industry relevant test case such as that of natural convection in a square differentially heated cavity (DHC) at a high Rayleigh number of 10¹¹.Two models are assessed, namely the kω-SST and BL-v²/k, which are highly relevant to the industrial sector.The buoyancy sensitised RANS models, initially developed in the vertical differentially heated channel flow show significant improvements in the prediction of the mean velocity profiles thanks to the improved momentum balance.In the case of square DHC, where the simulations are in URANS mode due to the presence of resolved motion even in refined grids, the improvements are marginal but consistent.A particular attention is paid to the formulation of the source terms in the specific dissipation rate equation, ω, of the kω-SST model when considering the effects of stratification.The reformulation leads to a correction in the behaviour of turbulent viscosity in the stratified core region of the square DHC.An important objective of the MONACO_2025 project is the development of models able to predict time-dependent phenomena.In this regards, hybrid RANS/LES models offer a cost-effective simulation strategy while retaining the ability tocapture the necessary unsteady flow information.As such, the second part of the thesis focusses on the extension of the HTLES (Hybrid Temporal Large Eddy Simulation) model previously developed for isothermal flows to natural convection flows.The kω-SST HTLES model is sensitised to buoyancy effects through the implementation of the FBE to aid the underlying RANS model.The behaviour of the model is assessed in the square DHC leading to the development of a new shielding function called the elliptic shielding function aimed at making the model more robust and reduce the influence of empiricism.Interestingly enough, although the improvements from the FBE are marginal, these improvements are retained when incorporated in the HTLES model as compared to the HTLES model with a standard eddy-viscosity closure.Finally, the RANS and HTLES models are compared against high-fidelity LES simulations to showcase the potential of the HTLES method in the prediction of time-dependent phenomena while keeping the computational costs low.
La présente thèse est consacrée au développement et à la validation de modèles de turbulence pour les écoulements de convection naturelle.Les écoulements affectés par la flottabilité jouent un rôle important dans de nombreuses applications industrielles et environnementales, par exemple dans les secteurs des deux partenaires industriels; EDF : pour la conception des centrales nucléaires et le Groupe PSA : pour la conception de l'espace sous le capot des automobiles.Afin d'éviter des expériences coûteuses et de permettre une conception et un développement rapides, il est essentiel d'utiliser des modèles CFD efficaces, robustes et précis pour simuler de tels écoulements.La thèse représente la conclusion du projet MONACO_2025 (MOdelling NAtural COnvection 2025) visant à développer une gamme de modèles de turbulence tenant compte de la flottabilité.La recherche et le développement dans le contexte industriel sont toujours dominés par l'utilisation de modèles RANS, en particulier l'utilisation de modèles de viscosité turbulente du premier ordre en raison de leur coût de calcul abordable.Dans cette perspective, la première partie des développements de modèles est axée sur la stratégie RANS.En s'appuyant sur le modèle de viscosité turbulente sensibilisé à la flottabilité (Full buoyancy extension (FBE)) précédemment développé dans le cadre du projet MONACO_2025, les performances de ces modèles sont évaluées dans des cas test pertinents pour l'industrie, tels que celui de la convection naturelle dans une cavité carrée différentiellement chauffée (differentially heated cavity (DHC)) à un nombre de Rayleigh élevé de 10¹¹.Deux modèles sont évalués, à savoir le kω-SST et le BL-v²/k, qui sont très pertinents pour le secteur industriel.Les modèles RANS sensibilisés à la flottabilité, initialement développés dans l'écoulement vertical en canal différentiellement chauffée, montrent des améliorations significatives dans la prédiction des profils de vitesse moyenne grâce à l'amélioration du bilan de quantité de mouvement.Dans le cas du DHC carré, où les simulations sont en mode URANS en raison de la présence de mouvements résolus, les améliorations sont marginales mais cohérentes.Une attention particulière est accordée à la formulation des termes sources dans l'équation du taux de dissipation spécifique, ω, du modèle kω-SST lorsque l'on considère les effets de la stratification.La reformulation conduit à une correction du comportement de la viscosité turbulente dans la région centrale stratifiée de la DHC carré.Un objectif important du projet MONACO_2025 est le développement de modèles capables de prédire des phénomènes instationnaires.À cet égard, les modèles hybrides RANS/LES offrent une stratégie de simulation à coût raisonnable tout en conservant la capacité de capturer les informations nécessaires dans les écoulements instationnaires.Ainsi, la deuxième partie de la thèse se concentre sur l'extension du modèle HTLES précédemment développé pour les écoulements isothermes aux écoulements de convection naturelle.Le modèle HTLES kω-SST est sensibilisé aux effets de flottabilité par la mise en œuvre FBE pour aider le modèle RANS de la standard.Le comportement du modèle est évalué dans DHC carrée, ce qui a conduit au développement d'une nouvelle fonction de protection, appelée fonction de protection elliptique, visant à rendre le modèle plus robuste et à réduire l'influence de l'empirisme.Il est intéressant de noter que, bien que les améliorations apportées par FBE soient marginales, elles sont conservées lorsqu'elles sont incorporées dans le modèle HTLES par rapport au modèle HTLES avec une fermeture de viscosité turbulente standard.Enfin, les modèles RANS et HTLES sont comparés à des simulations LES haute-fidélité pour démontrer le potentiel de la méthode HTLES dans la prédiction de phénomènes dépendant du temps tout en maintenant les coûts de calcul à un niveau bas.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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