Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels

Nos tutelles

CNRS

Nos partenaires

Rechercher





Accueil > Présentation > Projets > SIMARC - Projet ANR 2015

SIMARC - Projet ANR 2015

SIMARC : Simulation des Instabilités hydrodynamiques et Modélisation Avancée en Régime Cavitant

Objectifs scientifiques

Ce projet concerne l’étude théorique et numérique des instabilités hydrodynamiques des poches de cavitation qui se développent le long de parois solides. La cavitation de type poche est fréquemment observée sur des surfaces portantes comme les hydrofoils ou les aubes de turbomachines. Ce type d’écoulement est fortement instationnaire en fermeture de poche, et, en fonction des paramètres de l’écoulement (incidence, nombre de cavitation), plusieurs types de poche ont été observées (poche stable, poche pulsante…). Ces instabilités de cavitation ont été mis en évidence expérimentalement avec des bifurcations assez nettes entres les régimes. Les mécanismes sous-jacents notamment l’interaction entre la couche limite et la zone de mélange diphasique, l’interaction avec la turbulence, la propagation d’onde de chocs, les effets de compressibilité sont encore mal connus.

Un premier volet concerne l’étude d’instabilité théorique et numérique d’une poche de cavitation en régime turbulent. On cherchera une modélisation satisfaisante des instabilités en régime linéaire, c’est-à-dire au voisinage des seuils d’apparition de ces instabilités. Ces analyses de stabilité seront menées autour d’un champ porteur qui sera ici un champ turbulent solution des équations du mouvement turbulent moyen (RANS). Dans un premier temps le code CFD cavitant d’un des partenaires sera linéarisé autour de cette solution stationnaire au préalablement calculée. L’analyse de stabilité sera effectuée par une méthode de cliché où le produit matrice-vecteur de la jacobienne sera approximée par une méthode de différentiation et le problème aux valeurs propres par une méthode Krylov-Shur.

D’autre part, des simulations numériques turbulentes avec les deux codes partenaires seront effectuées pour retrouver les différents régimes de cavitation. L’architecture numérique des codes est similaire (codes compressibles 1-fluide), mais les modèles de turbulence et de cavitation sont différents permettant de faire de multiples comparaisons. L’influence des différents modèles (turbulence et cavitation) est forte et a un impact critique sur les résultats. Les simulations seront effectuées de concert entre les partenaires avec échanges réguliers. Le croisement des simulations et l’aspect coopératif est primordial.

La validation sera effectué à partir de données expérimentales existantes sur l’un des partenaires. On dispose de deux géométries de Venturi avec des régimes de poche différents et d’une géométrie d’hydrofoil en incidence pour laquelle une cartographie des régimes a été mise en place en utilisant des méthodes de décomposition orthogonale en mode propres. Ces méthodes ayant été couplées à des méthodes de décomposition en mode dynamique (à partir d’un champ d’écoulement basé sur l’analyse de Koopman d’un système dynamique) il est possible de décrire les mécanismes physiques sous-jacents des instabilités de poche. Les modes extraits de ce type de technique peuvent être interprétés comme une généralisation des modes de stabilité globale et on obtient ainsi la contribution spatio-temporelle des structures de vapeur mettant en évidence une dynamique non-linéaire entre échelles.

Un deuxième volet concerne la mise en place de simulations avancées des grandes échelles (LES) en régime turbulent cavitant. On cherchera à formaliser les équations de Navier-Stokes 1-fluide filtrées en présence d’un changement de phase. Plusieurs stratégies de fermeture des termes sous-maille (méthodes de gradient, modèles dynamiques) et de méthodes numériques seront abordées. Ces simulations avancées permettront d’étudier et analyser les interactions turbulence-cavitation. Pour la validation, deux expériences récentes à haute résolution spatio-temporelle avec des données sur la turbulence en régime cavitant (ce qui est extrêmement rare, cet aspect constituant un point fort du projet) sont mises à disposition. Il s’agit d’une couche de mélange et d’une configuration de marche descendante. Des mesures de taux de vide (structures de vapeur) par absorption de rayons X, de champ de vitesse liquide par vélocimétrie par images de particules (PIV) et de pression pariétale fluctuante ont permis de mettre en évidence les interactions entre le changement de phase et la turbulence de l’écoulement. Ce résultat est primordial car il semble que la cavitation se manifeste par une augmentation de l’énergie cinétique turbulente décorrélée du cisaillement moyen provenant du terme de pression-dilatation et qui n’est pas prise en compte par les modèles de turbulence classique. Etant donné qu’il est difficile de quantifier ce terme correctement, il semble évident de repousser les hypothèses de modélisation aux échelles dissipatives en développant un formalisme de simulation aux grandes échelles adapté aux écoulements cavitants. D’autre part, la modélisation diphasique pourra être confrontée aux résultats expérimentaux qui grâce aux mesures spatio-temporelles des termes croisés densité-vitesse permettra de valider les modèles de transfert de masse.

Verrous scientifiques

Le caractère diphasique, turbulent, compressible, instationnaire des écoulements cavitants, rend difficile les études expérimentales et numériques de la cavitation. La modélisation de phénomènes physiques mis en jeux comme le chemin thermodynamique et l’interaction avec la turbulence n’est pas pleinement établie. Des questions propres aux techniques numériques dans ce type d’écoulement persistent également. Il n’existe à ce jour aucun code prédictif et fiable capable de simuler les situations de cavitation que l’on rencontre dans l’industrie.

La modélisation des phénomènes physiques mis en jeux comme le chemin thermodynamique lors du changement de phase et l’interaction avec la turbulence n’est pas pleinement établie. L’interaction turbulence-cavitation est un phénomène très mal connu et fort peu documenté (dû, en particulier, à la difficulté d’effectuer des mesures dans les écoulements cavitants). Les effets de compressibilité ainsi que les effets de la phase dispersée sont méconnus. Les codes de calculs usuels sont formulés dans un cadre moyenné (RANS) avec hypothèse de Boussinesq pour les modèles de turbulence. Plusieurs études ont montrés que ces modèles sont inadaptés à prédire de façon correcte la dynamique des poches de cavitation notamment aux petites échelles.
Nous proposons d’utiliser dans un premier temps des méthodes hybrides URANS-LES (PANS, SAS, DES, ILES…) pour une meilleure prise en en compte de la dynamique de l’écoulement. Dans un deuxième temps, une approche de type simulation de grandes échelles, dans laquelle les phénomènes instationnaires sont naturellement pris en compte et le niveau de détails de la turbulence que l’on simule directement peut être choisi, sera développée et permettrait une avancée majeure dans la simulation de ces écoulements complexes diphasiques.

Plusieurs points durs sont à lever pour que la simulation des grandes échelles devienne un outil fiable et d’utilisation massive pour la cavitation :

  • modèles de fermeture et leur interface avec la modélisation diphasique ;
  • traitement des parois solides ;
  • précision, robustesse et efficacité des méthodes numériques.

Ce projet se propose d’aborder tous ces volets de modélisation et de donner des contributions originales.

La partie la plus innovante du projet concerne l’étude de stabilité en régime cavitant. Ce travail est totalement original et n’a jamais été abordé encore en cavitation. L’un des partenaires dispose d’une expérience reconnue en stabilité pour les écoulements aérodynamiques et transfère ses compétences vers l’hydrodynamique avec cavitation. Les méthodes de calcul des instabilités ont profondément évolué depuis une décennie permettant d’aborder des écoulements de plus en plus complexe géométriquement et physiquement. En effet, il est actuellement possible d’intégrer une méthode de calcul de valeurs propres au sein d’un code de simulation numérique généraliste résolvant les équations RANS et possédant des modèles multi-physiques diverses (multi-phasique, réactif…). L’objectif de ce projet est de comprendre l’évolution de la dynamique d’un écoulement au sein d’une géométrie qui est le siège de bifurcation entre un écoulement statistiquement stationnaire et un écoulement instationnaire auto-entretenu. Ce changement de régime est directement lié à l’apparition conjoint d’un décollement massif et d’un régime cavitant. Une analyse de stabilité autour d’un état de base peut permettre de mieux comprendre des mécanismes physiques sous-jacents et d’avoir un outil prédictif d’apparition des instationnarités.

Les résultats escomptés

Les résultats attendus de ce projet sont les suivants :

  • Mise en place d’un code de calculs d’instabilités en régime cavitant validé et meilleure compréhension des mécanismes d’instabilités de poche.
    Cet outil permettra d’étudier d’autres configurations (notamment des configurations industrielles) et sera très utile pour déterminer les régimes d’instabilités de poche. Il permettra d’établir un critère utile aux turbinistes pour déterminer les sources de fluctuations générées par les poches.
    De plus, on espère mieux comprendre les mécanismes qui pilotent la dynamique des poches de cavitation et les régimes associés.
  • Discrimination des modèles de cavitation et turbulence dans la capacité à restituer la dynamique de poches et les différents régimes observés.
    On espère faire émerger un couple (modèle de cavitation, modèle de turbulence) qui permet de simuler de façon satisfaisante la dynamique d’une poche de cavitation.
  • Mise en place de simulation des grandes échelles en régime cavitant afin de mieux comprendre la dynamique des structures diphasiques aux petites échelles et l’interaction turbulence-cavitation.
    Cet outil de calculs avancés permettra de mieux simuler les écoulements 3D instationnaires siège de phénomènes auto-entretenues basse fréquence et de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents.