La capacité de simuler la dynamique de la couche limite turbulente représente aujourd’hui un enjeu important pour la prévision de l’aérodynamique instationnaire et de l’aéroacoustique des aéronefs et des véhicules terrestres. Aussi, les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une méthode originale de simulation de la dynamique des écoulements turbulents pariétaux, à haut nombre de Reynolds, sur des géométries curvilignes. L’approche ZDES, dans son mode « Wall Modelled Large Eddy Simulation », est ici retenue. Dans un premier temps, une méthode de réactivation turbulente, par combinaison de l’injection de turbulence synthétique et de l’application de termes de forçage, est développée afin de permettre une résolution WMLES locale des régions d’intérêt au sein d’une simulation majoritairement RANS. Puis l’étude des interactions entre la physique et la méthode de résolution numérique (ZDES), sur le cas d’une couche limite turbulente sans gradient de pression en développement spatial jusqu’à Re13 000, a conduit à une généralisation des conditions d’emploi du mode WMLES de la ZDES. Des post-traitements instationnaires avancés ont permis de démontrer la capacité de la méthode à simuler la dynamique particulière de la zone externe à ces grands nombres de Reynolds. Enfin, les différentes méthodes développées au cours de cette étude ont été appliquées à la simulation d’une manche à air coudée de section rectangulaire. Cette nouvelle méthode a permis de simuler avec succès la dynamique multi-échelles de cet écoulement et des distorsions dynamiques associées, pour un coût environ 50 fois inférieur à celui d’une approche LES classique

This unique book gives a general unified presentation of the use of the multiscale/multiresolution approaches in the field of turbulence. The coverage ranges from statistical models developed for engineering purposes to multiresolution algorithms for the direct computation of turbulence. It provides the only available up-to-date reviews dealing with the latest and most advanced turbulence models (including LES, VLES, hybrid RANS/LES, DES) and numerical strategies. The book aims at providing the reader with a comprehensive description of modern strategies for turbulent flow simulation, ranging from turbulence modeling to the most advanced multilevel numerical methods. Sample Chapter(s). Chapter 1: A Brief Introduction to Turbulence (4,125 KB). Contents: A Brief Introduction to Turbulence; Turbulence Simulation and Scale Separation; Statistical Multiscale Modeling; Multiscale Subgrid Models: Self-Adaptivity; Structural Multiscale Subgrid Models: Small Scale Estimations; Unsteady Turbulence Simulation on Self-Adaptive Grids; Global Hybrid RANS/LES Methods; Zonal RANS/LES Methods. Readership: Researchers and engineers in academia and industry in aerospace, automotive and other aerodynamics-oriented fields; masters-level students in fluid mechanics, computational fluid dynamics and applied mathematics.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la simulation numérique des écoulements turbulents à grand nombre de Reynolds, avec intégration des équations jusqu'à la paroi. L'objectif principal est de reconsidérer les approches existantes de la turbulence, en s'appuyant sur des outils numériques récents, afin d'obtenir des résultats plus précis sur des maillages non-structurés, notamment en proche paroi. Dans la perspective d'une hybridation avec l'approche LES, nous étudions tout d'abord les performances d'un modèle k-ε bas-Reynolds linéaire. Nous le comparons ensuite à une extension non-linéaire cubique qui permet de tenir compte de l'effet d'anisotropie. Le solveur Navier-Stokes compressible utilise une approche mixte éléments/volumes finis instationnaire implicite. Dans deux cas d'écoulements stationnaires nous obtenons des résultats satisfaisants avec le modèle linéaire, alors que l'extension non-linéaire montre une forte sensibilité au paramètre de viscosité turbulente Cμ. Dans le cas instationnaire, le modèle non-linéaire s'est montré bien plus performant. Nous proposons ensuite une combinaison originale entre les approches de type RANS et LES. L'idée de base consiste à résoudre le champ moyen par les équations de type RANS, puis à le corriger en ajoutant les fluctuations résolues par l'approche VMS (Variational Multi-Scale) de la LES. Le terme de correction est amorti par une fonction d'hybridation continue à travers le domaine de calcul. Le modèle obtenu est appliqué à l'écoulement 3D autour d'un cylindre circulaire à séparation turbulente. Nous analysons les différentes régions de l'écoulement ainsi que sa topologie.

Accurate prediction of turbulent flows remains a challenging task despite considerable work in this area and the acceptance of CFD as a design tool. The quality of the CFD calculations of the flows in engineering applications strongly depends on the proper prediction of turbulence phenomena. Investigations of flow instability, heat transfer, skin friction, secondary flows, flow separation, and reattachment effects demand a reliable modelling and simulation of the turbulence, reliable methods, accurate programming, and robust working practices. The current scientific status of simulation of turbulent flows as well as some advances in computational techniques and practical applications of turbulence research is reviewed and considered in the book.

Historically turbulence modeling has been sharply divided into Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS), in which all the turbulent scales of motion are modeled, and large-eddy simulation (LES), in which only a portion of the turbulent spectrum is modeled. In recent years there have been numerous attempts to couple these two approaches either by patching RANS and LES calculations together (zonal methods) or by blending the two sets of equations. In order to create a proper bridging model, that is, a single set of equations which captures both RANS and LES like behavior, it is necessary to place both RANS and LES in a more general framework. The goal of the current work is threefold: to provide such a framework, to demonstrate how the Flow Simulation Methodology (FSM) fits into this framework, and to evaluate the strengths and weaknesses of the current version of the FSM. To do this, first a set of filtered Navier-Stokes (FNS) equations are introduced in terms of an arbitrary generalized filter. Additional exact equations are given for the second order moments and the generalized subfilted dissipation rate tensor. This is followed by a discussion of the role of implicit and explicit filters in turbulence modeling. The FSM is then described with particular attention to its role as a bridging model. In order to evaluate the method a specific implementation of the FSM approach is proposed. Simulations are presented using this model for the case of separating flow over a"hump" with and without flow control. Careful attention is paid to error estimation, and, in particular, how using flow statistics and time series affects the error analysis. Both mean flow and Reynolds stress profiles are presented, as well as the phase averaged turbulent structures and wall pressure spectra. Using the phase averaged data it is possible to examine how the FSM partitions the energy between the coherent resolved scale motions, the random resolved scale fluctuations, and the subfilter quantities. The method proves to be qualitatively successful at reproducing large turbulent structures. However, like other hybrid methods, it has difficulty in the region where the model behavior transitions from RANS to LES> Consequently the phase averaged structures reproduce the experiments quite well, and the forcing does significantly reduce the length of the separated region. Nevertheless, the recirculation length is signficantly too large for all cases. Overall the current results demonstrate the promise of bridging models in general and the FSM in particular. However, current bridging techniques are still in their infancy. There is still important progress to be made and it is hoped that this work points out the more important avenues for exploration.

This self-contained, interdisciplinary book encompasses mathematics, physics, computer programming, analytical solutions and numerical modelling, industrial computational fluid dynamics (CFD), academic benchmark problems and engineering applications in conjunction with the research field of anisotropic turbulence. It focuses on theoretical approaches, computational examples and numerical simulations to demonstrate the strength of a new hypothesis and anisotropic turbulence modelling approach for academic benchmark problems and industrially relevant engineering applications. This book contains MATLAB codes, and C programming language based User-Defined Function (UDF) codes which can be compiled in the ANSYS-FLUENT environment. The computer codes help to understand and use efficiently a new concept which can also be implemented in any other software packages. The simulation results are compared to classical analytical solutions and experimental data taken from the literature. A particular attention is paid to how to obtain accurate results within a reasonable computational time for wide range of benchmark problems. The provided examples and programming techniques help graduate and postgraduate students, engineers and researchers to further develop their technical skills and knowledge.

Mieux comprendre les spécificités de la dynamique des couches limites à grand nombre de Reynolds malgré les contraintes métrologiques et son coût de simulation numérique est crucial. A titre d'exemple, cette dynamique peut déterminer plus de la moitié de la traînée d'un avion en croisière. Décrire la turbulence pariétale peut guider la résolution numérique d'une partie des fluctuations à un coût maîtrisé par des stratégies WMLES (simulation des grandes échelles avec modèle de paroi). Les présentes analyses physiques de couches limites turbulentes incompressibles à gradient de pression nul et à grand nombre de Reynolds s'appuient sur des simulations numériques avancées. Après validation d'une base de données, le frottement moyen pariétal est décomposé selon l'identité FIK (Fukagata et al. (2002)), dont l'application malgré le développement spatial est discutée. Une analyse spectrale montre que les grandes échelles ( lambda_x > delta) contribuent à environ la moitié du frottement vers Re_ theta = 10^4. Les limitations de l'identité FIK motivent la dérivation d'une décomposition physique de la génération du frottement dont le comportement asymptotique est alors relié à la production d'énergie cinétique turbulente dans la zone logarithmique. Pour mieux reconstruire les spectres spatiaux, une nouvelle méthode d'estimation de la vitesse de convection turbulente en fonction de la longueur d'onde des fluctuations, adaptée au développement spatial et à des signaux temporels de durée finie, est dérivée, interprétée et évaluée à Re_ theta = 13000. Certaines des conclusions éclairent des modifications d'une stratégie WMLES, le mode III de la méthode ZDES.