Optimized calibrations of RANS-based k-ω-γ-Reθt transitional turbulence models for aircraft applications

Le modèle de transition turbulente γ-Reθt de Langtry et Menter est implémenté dans le code RANS structuré à volumes finis FANSC (Full Aircraft Navier-Stokes Code) et couplé au modèle de turbulence kω-SST. Le modèle est modifié et recalibré pour mieux correspondre aux résultats expérimentaux. L'intensité turbulente locale est remplacée par une représentation des fluctuations turbulentes plus cohérente, de sorte à éviter d'obtenir des solutions non physiques au point de stagnation qui contamineraient les prédictions de la couche limite en aval. Le modèle est recalibré en modifiant des constantes de l'équation pour l'intermittence γ dans le terme de destruction de l'équation de l'énergie cinétique turbulente k. Un algorithme d'optimisation est développé afin de faciliter la calibration sur des cas tests 2D bien connus, tels que les plaques planes de la série T3 et de Schubauer et Klebanoff ainsi que l'aile NACA0012. Le modèle recalibré est ensuite validé sur les ailes 2D NLF-0416 et S809 qui n'ont pas été impliqués dans le processus d'optimisation. De plus, des cas test 3D tels que la Sickle shaped wing et le sphéroïde allongé sont également simulés et les résultats sont comparés à la littérature. L'extension crossflow de Muller et Herbst est implémentée et recalibrée pour modéliser avec précision une série de résultats expérimentaux. Cette calibration est effectuée avec le même algorithme d'optimisation. La nouvelle extension est ensuite validée sur cinq cas tests 3D : La Sickle shaped wing du DLR, le sphéroïde allongé, l'aile DLR-F5, l'aile NLF(2)-0415 et le CRM-NLF. Les résultats montrent une nette amélioration par rapport au modèle de base. Certaines failles subsistent et une enquête est menée pour identifier les raisons potentielles des inexactitudes restantes. En conséquence, une solution potentielle au problème est suggérée. Enfin, une étude est menée pour démontrer la sensibilité du modèle à l'intensité turbulente et à la résolution du maillage et pour établir des normes pour lesquelles le modèle peut être considéré comme fiable.

Abstract

The γ-Reθt transition model from Langtry and Menter is implemented in the structured finite volumes RANS code FANSC (Full Aircraft Navier-Stokes Code) and coupled with the k-ωSST turbulent model. The model is modified and re-calibrated to better match experimental results. The local turbulent intensity is replaced with a more consistent turbulent fluctuation representation, to avoid nonphysical solutions at the stagnation point that would contaminate the downstream boundary-layer predictions. A calibration is devised by customizing several constants involved in the equation for the intermittency γ and the destruction term for the turbulent kinetic energy k. An optimization algorithm is thus employed to facilitate the calibration on well-known 2D test cases, such as the flat plates of the T3 series and of Schubauer and Klebanoff as well as the NACA0012 airfoil. The calibrated γReθt model is then validated on the NLF-0416 and S809 airfoil cases that have not been involved in the optimization process. In addition, 3D test cases such as the sickle wing and prolate spheroid are also simulated with the presented model and then compared to the literature. The Muller and Herbst crossflow extension is implemented and re-calibrated to fit the code and accurately model a variety of experimental results. This calibration is performed with the same optimization algorithm using the Nelder-Mead and Simulated Annealing methods. The new extension is then validated on five 3D test cases: The Sickle shaped wing, the prolate spheroid, the DLR-F5, NLF(2)-0415 and the CRM-NLF. The results show a clear improvement from the base model. Some flaws remain and an investigation is conducted to identify the potential reasons of the remaining inaccuracies. As a result, potential solution to the issue are suggested. Finally, a study is conducted to shed light on the model's sensitivity to freestream turbulent intensity and mesh resolution and to establish standards for which the model can be considered reliable.