Transitional Flow Prediction in High Reynolds Flows Over Hydrofoils

Dans une turbine hydraulique, les aubes fixes et les aubes directrices fonctionnent dans un large éventail de conditions et peuvent rencontrer différents régimes d'écoulement, y compris une transition du régime laminaire au régime turbulente. Dans un écoulement en transition, les propriétés de l'écoulement changent par des mécanismes complexes qui provoquent un passage du comportement laminaire à des caractéristiques turbulentes d'écoulement chaotiques. De plus, ces composants peuvent être soumises à des fréquences d'excitation en raison des forces fluctuantes transversales à l'écoulement qui résultent du détachement de vortex asymétriques. Pour éviter toute situation destructrice due à ces fréquences d'excitation, il est important de prévoir l'effet du comportement de l'écoulement en transition sur les composants mécaniques de la turbine pour différentes conditions de fonctionnement. C'est un défi que les outils modernes tels que la dynamique des fluides computationnelle (CFD) peuvent relever, en donnant un aperçu complémentaire aux approches expérimentales du comportement de l'écoulement dans diverses conditions. Cette thèse propose et évalue la mise en oeuvre d'un modèle de turbulence de transition en couplant un modèle de transition avancé, , avec le modèle de turbulence dynamiquement adapté SST-SAS pour capturer les caractéristiques des écoulements en transition et la fréquence de détachement sur le profil NACA0009. Le modèle de turbulence transitionnelle a été implémenté dans un code CFD open source basé sur des volumes finis, OpenFOAM. Le modèle mis en œuvre a d'abord été vérifié et validé pour différents écoulements en transition, y compris la transition naturelle et de dérivation sur une plaque plane. Les résultats numériques ont été comparés aux données expérimentales pour le calcul du coefficient de frottement et de l'intensité de la turbulence. Un très bon accord a été observé entre l'étude en cours et les données disponibles. Le principal résultat de la présente étude était d'évaluer l'emplacement du début de la transition et la fréquence de détachement des tourbillons sur des profils bidimensionnels dans des écoulements visqueux à des nombres de Reynolds élevés. Les propriétés de l'écoulement telles que la fréquence de détachement et l'emplacement de début de la transition ont été évaluées pendant le processus de validation. En général, un très bon accord a été observé par rapport aux données expérimentales disponibles. Les résultats ont déterminé que la présente méthodologie a pu améliorer la précision des simulations numériques par rapport à un modèle de transition similaire couplé au modèle de turbulence, SST. Une large gamme de vitesses d'écoulement avec deux configurations de bord de fuite différentes a été évaluée pour étudier la réponse du modèle de turbulence de transition mis en œuvre sur la prédiction de la fréquence de détachement et l'emplacement du début de la transition en fonction de différentes conditions de fonctionnement et géométries. Les résultats montrent que le modèle mis en œuvre prédit une relation linéaire entre la vitesse d'entrée et la fréquence de détachement tandis que les données expérimentales montrent une relation quasi linéaire. Le modèle de turbulence transitionnelle mis en œuvre a également montré qu'il pouvait distinguer les couches laminaires, de transition laminaire-turbulente et les couches limites turbulentes. Un bon accord a été observé pour la prédiction de l'emplacement au début de la transition par rapport à l'expérience.

Abstract

In hydraulic turbines, stay vanes and guide vanes operate in a wide range of conditions and could encounter different flow regimes including laminar to turbulent transition. In a transitional flow, the flow properties change through a complex procedure and whereby the laminar behavior of the flow transforms into chaotic turbulent characteristics. In addition, these turbine components can experience excitation frequencies due to the fluctuating forces transverse to the flow that result from asymmetric vortex shedding. To prevent any destructive situation due to these excitation frequencies, it is important to predict the behavior of the transitional flow and its impact on the mechanical components of a hydraulic turbine in various operating conditions. This is a challenge that modern tools such as Computational Fluid Dynamics (CFD) can address by giving a complementary insight into the flow behavior under various conditions. This thesis has proposed and evaluated the implementation of a transitional turbulence model by coupling an advanced transitional model, , with the dynamically adapted turbulence model SST-SAS to capture the transitional flow features and shedding frequency over a NACA0009 hydrofoil. The transitional turbulence model was implemented within an opensource finite volume-based CFD code, OpenFOAM. The implemented model was first verified and validated with different transitional flows including natural and bypass transition over flat plate. Numerical results were compared to experimental data on calculation of friction coefficient and turbulence intensity. A very good agreement was observed between the current investigation and available data. The main outcome of the current investigation was to investigate the transition onset location and shedding frequency of two-dimensional hydrofoils in URANS viscous flows at high Reynolds numbers. Flow properties such as shedding frequency and transition onset location were evaluated during the validation process. In general, very good agreement was observed compared to available experimental data. Results determined that the present methodology has been able to improve the accuracy of the numerical simulations compared to a similar transitional model coupled with the URANS turbulence model, SST. A wide range of flow velocities for two different trailing edge configurations have been evaluated to investigate the response of the implemented transitional turbulence model on shedding frequency prediction and transition onset location with respect to different operating conditions and geometries. Results show that the implemented model predicts a linear relationship between the inlet velocity and shedding frequency while, experimental data shows a quasi-linear relation. The implemented transitional turbulence model has also shown that it can distinguish laminar, laminar-turbulent transition and turbulent boundary layers. A good agreement has been observed for the prediction of the transition onset location compared to the experiments.