Simulation des grandes échelles en turbulence compressible

Les écoulements de cavité en régime subsonique sont le siège de fortes oscillations de pression trouvant leur origine dans un couplage aéroacoustique entre la zone de développement initial de la couche de mélange et la zone d’impact au coin aval de la cavité. En complément des expériences, les simulations numériques permettent d’accéder aux champs tridimensionnels de vitesse et de pression, rendant ainsi possible l’étude fine du couplage susmentionné ayant pour objectif la mise au point de dispositifs de contrôle efficaces et robustes. La méthode retenue doit permettre de concilier la simulation d’un écoulement instationnaire et turbulent à nombre de Reynolds élevé avec une faible dissipation globale pour ne pas altérer la dynamique des ondes de pression. Le recours à une modélisation de type simulation des grandes échelles permet de répondre à ces deux impératifs.

Visualisation strioscopique numérique dans une cavité profonde. On remarque un réseau d’ondes de pression se développant dans la veine et à l’intérieur de la cavité à partir du coin aval de celle-ci.

Visualisation par critère Q des tourbillons au sein de la couche de mélange : cas de la cavité profonde. On note la croissance rapide des structures du fait de l’excitation de la couche par les ondes de pression.

 

L’application de cette démarche au cas d’une cavité profonde en régime haut-subsonique a permis d’isoler précisément les structures tourbillonnaires réellement impliquées dans la boucle de couplage ainsi que de quantifier les effets induits par le confinement de la cavité dans la veine d’essai sur le champ de pression. L’influence du confinement est plus sensible dans le cas d’une cavité moins profonde pour laquelle les données expérimentales collectées à l’ONERA mettent en évidence une asymétrie de l’écoulement moyen. Les simulations des grandes échelles de ce problème incluant les parois latérales de la veine d’essai ont permis d’expliquer ce phénomène par l’existence d’une bifurcation de l’écoulement. Elles ont également montré une possibilité de sélectionner la branche bifurquée au travers de la condition aux limites amont et ont fourni des informations sur les échelles spatio-temporelles caractéristiques de l’écoulement bifurqué.

Les méthodes de simulations et d’analyse des résultats développées pour les écoulements de cavité sont en cours d’application au cas de l’interaction choc/couche limite.

Cette recherche s’effectue en partenariat avec l’ONERA et le Laboratoire de Modélisation en Mécanique.

 

Visualisations des structures tourbillonnaires et des lignes de frottement moyennes dans le cas d’une cavité peu profonde confinée latéralement. Ces images illustrent l’obtention de champs moyens inversés pour deux calculs statistiquement équivalents de par leurs conditions initiales et aux limites, signe de l’existence d’une bifurcation de l’écoulement.