Méthodologie de calcul des forces fluides sur une structure en grand
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Méthodologie de calcul des forces fluides sur une structure en grand déplacement avec Code_Saturne et la méthode ALE Séminaire LaMSID 28 mars 2012 J. Berland, P. Moussou, L. Divaret 1 EDF Recherche et Développement Structure en grand déplacement Contexte Dans le cadre du projet Comportement Assemblage Combustible Étude d’accident : séisme Assemblage soumis à de grands déplacements dans un milieu fluide Faire évoluer les modèles prédictifs (d’interaction fluide-structure) Utiliser la CFD de façon exploratoire Long terme Calcul des forces fluides agissant sur un assemblage (simplifié) Proposer une vision complémentaire de l’approche expérimentale (cf. thèse de Lise Divaret et essais DEDALE) Moyen terme Aborder des calculs d’écoulements autour de structures grand déplacement avec Code_Saturne et la méthode ALE Validation et appropriation de l’outil numérique Simulations ALE avec Code_Saturne Validation Validation avancée Structures en mouvement forcé Déterminer les bonnes pratiques pour assurer la qualité de la solution Maillage, pas de temps, modèle géométrique (2D/3D), modèle de turbulence Peu de données disponibles dans la littérature Plan de validation progressif de Code_Saturne+ALE : Assemblage Cylindre Faisceau Cylindre Fluide repos Fluide repos Ecoult axial U=0 U=0 U≠ ≠0 Faisceau Ecoult axial U≠ ≠0 Faisceau + Grille Ecoult axial Ecoult axial U≠ ≠0 U≠ ≠0 Simulations ALE avec Code_Saturne Méthode ALE « Arbitrary Lagrangian Eulerian » Technique de résolution d’équations sur des maillages en déformation Pas de remaillage, seulement déformation, la connectivité des nœuds de change pas Permet d’aborder le calcul CFD avec des structures en mouvement Mise en œuvre relativement simple pour un solveur aux volumes finis Modification de la vitesse de convection dans les équations de transports Technique de déformation du maillage Déformation « manuelle » du maillage : mouvement imposé par l’utilisateur pour toutes les cellules Déformation par propagation des déplacements imposés seulement à certaines frontières du domaine Par diffusion dans Code_Saturne Simulations ALE avec Code_Saturne Limitations de la méthode ALE Confinement Confinement Pas de remaillage envisageable en cours de calcul Retournement de maille possible e.g., cas d’un cylindre en (très) grand déplacement dans un milieu confiné Simulations ALE avec Code_Saturne Limitations de la méthode ALE « Plastification » du maillage Le maillage peut avoir une mémoire des déformations subies Associé à la technique de propagation des déplacements aux cellules intérieures Parade Imposer le déplacement de toutes les cellules Opter pour des techniques de propagation plus évoluées après 5 cycles après 10 cycles 1 cycle de déformation Simulations ALE avec Code_Saturne Limitations de la méthode ALE Dissipation de l’énergie Vortex dans un milieu au repos Structures instationnaires perturbées par les mouvements du maillage e.g. vortex dans un milieu au repos Temps Parade Convergence en temps effective → utiliser un pas de temps suffisamment petit Déplacement nul Petit déplacement Grand déplacement Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Configuration d’étude Cylindre unique dans un fluide au repos Mouvement harmonique forcé de la structure Paramètres Amplitude → nombre de Keulegan-Carpenter (KC) Fréquence → nombre de Stokes (β) β=483; 1035, 0.1<KC<10, 100<Re<10000 Paramètres numériques Différents maillages, pas de temps Calculs 2D DNS, 2D URANS et 3D Quasi-DNS Validation Forces fluides basées sur l’équation de Morison Force réduite à un coefficient de traînée (Cd) et à un coefficient d’inertie (Cm) Identification des coefficients et comparaison aux données expérimentales Bearman (JFM 1985), Obasaju (JFM 1988), Sarpkaya (JFM 1986) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Données expérimentales / Physique de l’écoulement purement visqueux (2D) instabilités 3D (Honji) données expérimentales théorie linéaire turbulence (développée) turbulence (transition) Coefficient de traînée en fonction du nombre de KC (β=1035) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Simulations numériques avec Code_Saturne Code_Saturne 2.0 avec module ALE Maillage hexaédrique Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Résultats – Calculs 2D DNS Bon accord sur une gamme très réduite de KC expérience ∆x = πD/80 ∆x = πD/160 ∆x = πD/320 Coefficient de traînée en fonction du nombre de KC (β=1035) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Calculs 2D DNS – Influence du pas de temps Pas de temps classiquement prédit par le nombre CFL Utilisation d’un pas de temps plus petit pour tous les calculs → meilleur accord Critère supplémentaire lié à l’ALE (algo. dissipatif) : ∆t << temps caractéristique du mouvement (~500) expérience ∆x = πD/80 ∆x = πD/160 ∆x = πD/320 Coefficient de traînée en fonction du nombre de KC (β=1035) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Calculs 2D DNS – Convergence en maillage Convergence dépend de la physique de l’écoulement Deux critères à élaborer pour la taille de maille KC=0.4 (purement visqueux) KC=5 (écoulement décollé) Coefficient de traînée en fonction de la taille des mailles (β=1035) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Calculs 2D DNS – Convergence en maillage Régime purement visqueux Taille de maille basée sur l’épaisseur de la couche de Stokes (plaque plane oscillante) Modèle linéaire purement visqueux pour l’épaisseur de couche limite : Régime décollé S’appuyer sur l’épaisseur de la couche limite pour un cylindre sous écoulement transverse uniforme Données expérimentales de Bloor (JFM 1964) Critères finaux D’après les observations effectuées sur les présents calculs : Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Simulations 2D vs. simulations 3D ∆x = πD/40 ∆x = πD/80 ∆x = πD/160 ∆x = πD/320 Robustesse des calculs 2D ? Échec des calculs 2D à reproduire les efforts pour des Reynolds > 3000 (β=1035) KC=3 Re~3100 expérience (β=483) Coefficient d’inertie en fonction du nombre de KC (calculs DNS 2D) KC=7 Re~3300 Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Calculs 3D Quasi-DNS Domaine extrudé dans la profondeur (4 diamètres) KC=1, β=483 Meilleur accord avec l’expérience avec la géométrie 3D expérience 2D - ∆x = πD/80 3D - ∆x = πD/80 Coefficients de traînée et d’inertie en fonction du nombre de KC (β=483) (DNS 2D vs. Quasi-DNS 3D) Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos « Bonnes pratiques » - Synthèse Simulation ∆t ∆x CFL & ∆t << Tmouvement Géom. Régime d’écoulement δc/∆x < 2 δν/∆x < 8 2D Visqueux 2D Décollé 3D 3D Turbulent 3D Validation ALE avec Code_Saturne Cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Modélisation URANS Réservée aux cas pleinement turbulents Calculs 2D v2f : instable k-ε : écarts importants avec l’expérience k-ω SST convergence vers la simulation DNS 2D mauvaise prédiction du coefficient d’inertie ⇒ modélisation URANS inadaptée --- réf. (exp.) DNS 2D k-εε k-ω ω SST v2f Coefficients de traînée et d’inertie en fonction du maillage (KC=5 ; β=1035) Validation ALE avec Code_Saturne Conclusion Conclusion Validation avancée du calcul de forces fluides agissant sur une structure en mouvement Cas d’un cylindre en oscillations forcées dans un fluide au repos Élaboration de critères de bonnes pratiques (pas de temps, maillage, géométrie, modèle de turbulence) Techniques pour assurer a priori la qualité de la solution Perspectives Faisceau de tubes en oscillations forcées dans un fluide au repos Données de référence : Chakrabarti 1982 Tube unique en oscillations forcées sous écoulement axial Données de référence : Ersdal 2006, thèse de Lise Divaret
