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Simulation d'écoulements turbulents sur profils d'ailes au moyen de la méthode de Boltzmann sur réseau

Nicolas Pellerin

Thèse de doctorat (2017)

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Citer ce document: Pellerin, N. (2017). Simulation d'écoulements turbulents sur profils d'ailes au moyen de la méthode de Boltzmann sur réseau (Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/2515/

Résumé

RÉSUMÉ La méthode de Boltzmann sur réseau n’a cessé de gagner en popularité au cours des vingt-cinq dernières années en tant qu’alternative aux méthodes existantes de dynamique numérique des fluides. De nombreux travaux de recherches sont publiés à chaque année et assurent un développement continu de la méthode. L’éventail de types d’écoulements de fluides qu’elle permet de simuler s’est aussi étendu et n’est pas restreint aux écoulements laminaires à une seule phase. C’est dans cette optique que les travaux de cette thèse s’inscrivent, car la méthode est appliquée au cas spécifique des écoulements turbulents sur profils d’ailes. Les travaux présentés contribuent donc à étendre et valider la méthode pour une application d’intérêt en ingénierie. L’objectif principal de cette thèse est de développer un programme de simulation d’écoulements turbulents au moyen de la méthode de Boltzmann sur réseau, offrant la particularité d’utiliser un réseau pouvant assurer un raffinement local. Afin de remplir cet objectif, cette recherche est divisée en trois parties. La première consiste à développer et valider une nouvelle méthode de conditions aux frontières courbes plus versatile que celles disponibles dans la littérature. Dans la deuxième partie, un programme de simulations d’écoulements turbulents est développé afin de combler certaines lacunes identifiées dans la littérature. Ce programme combine une configuration de réseau de type multi-domaines, l’opérateur de collision en cascade et la résolution de l’équation différentielle du modèle de turbulence Spalart-Allmaras. Cette approche combinée n’a pas été proposée antérieurement dans la littérature. Le nouveau modèle de conditions aux frontières est aussi inclus dans le programme. La troisième partie de la recherche consiste à développer un programme basé sur un réseau de type non-structuré, présentant l’avantage d’offrir la possibilité d’utiliser un raffinement directionnel. Le programme inclut aussi le modèle de turbulence Spalart-Allmaras, et fournit ainsi une approche globale n’ayant encore une fois pas de précédent dans la littérature touchant la méthode de Boltzmann sur réseau. Trois articles scientifiques, fournis en annexe, ont été rédigés à partir des travaux exécutés pour chaque partie de la recherche. Les résultats qui y sont présentés indiquent que la méthode de conditions aux frontières est versatile et applicable particulièrement aux écoulements à hauts nombres de Reynolds. Ces résultats montrent aussi que les programmes de simulation d’écoulements turbulents produisent des caractéristiques aérodynamiques concordant avec des valeurs de référence et que le raffinement de réseau en constitue un facteur essentiel.----------ABSTRACT Over the last twenty-five years, the lattice Boltzmann method’s popularity as an alternative to existing computational fluid dynamics methods hasn’t stop growing. Abundant research is published every year and ensure the continued development of the method. The spectrum of fluid flows that it allows to simulate has also increased and is not restricted to single phase laminar flows. In fact, the research work of this thesis consists of applying the method to turbulent flows around airfoils. Therefore, the works presented herein contribute to the broadening and validation of the method for a specific and important engineering application. The main objective of this thesis is to develop a computer program for simulating turbulent airfoil flows that is based on the lattice Boltzmann method and incorporates the possibility of using local lattice refinement. In order to achieve this objective, the research is divided in three parts. The first one consists of the development and validation of a new curved boundary condition method that is more versatile than those available in the literature. In the second part, a computer program for simulating turbulent flows is developed with the aim of filling gaps identified in the literature. This program combines a multi-domain lattice configuration, the cascaded collision operator, and a solving methodology for the differential equation from the Spalart-Allmaras turbulence model. This combined approach has not been proposed before in the literature. The new boundary condition method is also included in the program. The third part of the research consists of the development of a computer program based on an unstructured lattice, which provides the advantage of using directional refinement. The program also includes the Spalart-Allmaras turbulence model. Overall it provides an approach that has not been proposed either in the lattice Boltzmann literature. Three scientific articles were written based on the work executed for each part of the research. They are available in the Appendix. The results presented in these articles show that the boundary condition method is versatile and particularly applicable to high Reynolds number flows, that the computer programs for simulating turbulent airfoil flows produce aerodynamic characteristics that are in agreement with reference data, and that lattice refinement constitutes a key element to solution accuracy.

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Département: Département de génie mécanique
Directeur de mémoire/thèse: Marcelo Reggio
Date du dépôt: 01 août 2017 11:18
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:32
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/2515/

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