Comparaison de la qualité des simulations d'écoulements visqueux turbulents sur différents maillages d'hexaèdres

Les travaux de ce mémoire traitent de la génération des maillages et des solutions numériques Reynold-Average Navier-Stokes (RANS) pour des écoulements visqueux turbulents dans des composantes de turbines hydrauliques. Nous allons nous attarder sur la technique de génération de maillage qui génère des maillages appellé des Maillages Cartésiens avec Couches structurées à la Paroi (MCCP). Ces types de maillage sont composés principalement d'éléments hexaédriques. L'utilisation de cette technique pour obtenir des solutions RANS pour des composantes de turbines hydrauliques est peu répandue. La majorité des solutions RANS pour des écoulements dans des composantes de turbines hydrauliques sont obtenues aujourd'hui avec des Maillages Multi-Blocs Structurés (MMBS). Les travaux de ce mémoire vont nous permettre de savoir si des solutions RANS exactes peuvent être obtenues en utilisant des maillages MCCP. Nous allons utiliser une méthodologie pour évaluer la qualité des solutions RANS obtenues avec des maillages MCCP en les comparant aux solutions obtenues avec des maillages MMBS. Comme point de départ, nous avons choisi quatre cas pour tester cette technique de génération de maillage. Les choix des quatre cas ont été faits en fonction de données déjà disponibles tels des résultats expérimentaux et numériques. Les premiers trois cas tests sont similaires, avec certaines variations, au niveau des géométries d'entrée, de sorties et aux conditions imposées à l'entrée et à la sortie. Les solutions numériques pour les trois premiers cas sont très sensibles aux conditions limites imposées aux parois. Les conditions limites sont influencées par l'épaisseur et la qualité des couches visqueuses. Le quatrième cas est un cas plus complexe, qui possède écoulement principal et des écoulements secondaires. Cette géométrie plus réaliste va nous permettre de tester les algorithmes qui sont responsables de créer les couches visqueuses aux surfaces. Le premier aspect de ce mémoire traite des maillages générés avec les trois générateurs de maillage suivants : snappyHexMesh, Hexpress Hybrid et cfMesh. Pour les trois premiers cas, nous avons utilisé les trois générateurs. Pour le Cas 4, seulement deux générateurs ont été utilisés. On n'a pas utilisé le mailleur snappyHexMesh pour le Cas 4, car il fut incapable de générer des couches visqueuses de qualité. Pour chaque générateur, les maillages seront comparés entre eux pour ressortir les aspects importants de chaque mailleur. Certaines mesures de qualité seront calculées pour les maillages obtenus. Les mesures de qualité des maillages seront illustrées et comparées entre elles. Cette analyse nous permettra de mieux comprendre le fonctionnement des algorithmes pour les différents générateurs de maillage.

Abstract

This master thesis addresses mesh generation techniques and Reynold-Average Navier-Stokes (RANS) solutions applied to internal visqeous flows in hybraulic machinery components. We will focus on mesh generation techniques known as Cartesian Meshes with Structured Layers a the Wall (CMSW). This types of meshes are composed primeraly of hexaedral elements. RANS solutions for hydraulic turbines components are rarely computed with this type of mesh. Most RANS solutions are computed today with Multi-Blocs Structured Meshes (MMSM). The methodology developped in this master thesis will permit us to validate if CMSW can be used to computed acurrate RANS solutions as compared to those solutions obtained with MMSM. As a starting point, we have chosen four cases to test this mesh generation technique. The choices for the four cases were based on readaly available numerical RANS solutions and experimental data. Except for some small variations in the inlet geometries, outlet geometries and initial conditions at the inlet the first three cases are very similar. The initial conditions are highly influenced by the quality and thickness of the viscous layers. The most complex case is the forth case, which involves a principale and secondary flow fields. This geometry is the most complex among all four geometries. The last geometry will permit us to test more thoroughly the algorithms that are responsable for the creation of the viscous layers. The first aspect of this master thesis work we will study the meshes that were generated with the three main mesh generators: snappyHexMesh, Hexpress Hybrid and cfMesh. All three mesh generators were used for the first three cases. Only two mesh generators were used for the fourth case. All the generated meshes will be compared between them in order to study the important features of each mesh generator. Certain quality mesures will be calculated on the generated meshes. The mesh quality mesures will be compared between them. This analysis will permit us to better understand the algorithms for the different mesh generators. The four geometries will permit us to better examine different aspects of all three mesh generators, such as capturing the geometry frontiers. This will permit us to show the differences between the algorithms of all three mesh generators The second aspects of this master thesis is to analyse the RANS solutions obtained with the differents meshes. The first three cases are simples geometries, but are very sensitive to the imposed initial conditions at the walls. We will be studying how sensitive the RANS solutions are to the different meshes. The RANS solutions will be compared with existant numerical solutions and experimental data.