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.