Turbulence, Instabilités et Simulations Numériques

Les recherches conduites dans cet axe visent à la production de connaissances et de méthodes à l'amont de l'application. Elles s'appuient sur les axes de cœur de métier pour définir des configurations d'intérêt comme terrain de jeu de l'expertise des chercheurs de l'équipe. Parmi ces compétences, se dégagent la physique et modélisation des écoulements de mélange et de sillages transitionnels et turbulents ainsi que les méthodes d'ordre élevé dans le contexte de codes de calcul non-structurés.

 

 

 

 

 

Stabilité des écoulements cisaillés

Le mélange de fluides à fort contraste de densité dépend du développement de structures organisées qui résultent de l’amplification de modes instables dans des zones cisaillées. On aborde la question par voie expérimentale en s’intéressant aux conditions d’apparition des modes secondaires d’un jet rond de mélange air-hélium à rapport de densité subcritique et par voie théorique, en procédant par analyses de stabilité (linéaires, modales et non-modales…) et partant du cas de la couche cisaillée plane homogène pour aboutir à celui du jet rond d'hélium.

Dynamique tourbillonnaire

La dynamique tourbillonnaire joue un rôle central dans les écoulements aéronautiques et géophysiques, mais constitue également une grille de lecture événementielle de la turbulence développée. La stabilité tourbillonnaire et l’interaction binaire constituent l’essentiel des travaux entrepris à ce jour dans la perspective d’alimenter les problématiques de promotion du mélange inhomogène et de durée de vie des tourbillons de sillage d’aéronefs.

Turbulence de paroi

Les questions posées ont trait à des spécificités intrinsèques de ce type de turbulence. Ainsi, l’effet de blocage cinématique est abordé par la simulation directe dans le but d’élucider les mécanismes physiques associés au transfert intercomposantes en proche paroi. Par ailleurs, des cas d’écoulement où la présence de la paroi est associée à d’autres complexités physiques (accélérations de Coriolis, présence de frontière libre,…) sont étudiés par voie théorique dans une optique de caractérisation du comportement mathématique des modèles de turbulence.

 

Écoulements compressibles

Les recherches entreprises visent à une meilleure compréhension des propriétés de la turbulence compressible en présence d’ondes de choc. Un premier volet concerne l’étude de situations idéalisées d’interactions choc/turbulence (turbulence isotrope ou cisaillée interagissant avec un choc droit sans effet de parois) au moyen de simulations numériques directes et d’analyses théoriques (LIA). Un second volet faisant l’objet d’un partenariat avec le CEA est dédié à l’étude du mélange turbulent entre deux fluides de densités différentes, qui se développe dans la phase tardive d’une instabilité de Richtmyer-Meshkov. Cette instabilité apparaît lorsqu’une onde de choc accélère brutalement une interface perturbée de densité. L’approche est ici expérimentale et relève d’une analyse en tube à chocs basée sur de l’imagerie rapide par strioscopie, des mesures LDV et PIV.

Méthodes numériques pour les écoulements compressibles

Les besoins toujours croissants de simulation numérique en mécanique des fluides ne sont toujours pas satisfaits malgré l’importance des ressources informatiques actuelles. On recherche une précision toujours plus grande pour des modélisations de type LES encore très coûteuses et sur des configurations toujours plus complexes.

Afin de répondre plus facilement à ces besoins exprimés aussi bien dans les domaines de la recherche que l’industrie, le département développe un axe d’études sur les méthodes numériques pour la résolution des équations de Navier-Stokes compressibles en tenant compte de contraintes réelles telles que la sévérité potentielle des cas de calculs et les éventuelles difficultés géométriques des formes. Les travaux en cours s’orientent dans les directions détaillées ci-dessous.

Les études les plus récentes sont focalisées sur la montée en ordre (typiquement 4 à 5) par des méthodes de type spectrales compactes compatibles avec les maillages non structurés.