en fr Advanced numerical simulations and physical analyses of turbulent boundary layers at high Reynolds number Simulations numériques avancées et analyses physiques de couches limites turbulentes à grand nombre de Reynolds Report as inadecuate




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1 Meudon - ONERA - The French Aerospace Lab

Abstract : Better understanding the specificities of the dynamics of high-Reynolds number boundary layers despite metrological constraints and its numerical simulation cost is crucial. For instance, this dynamics can determine more than half of the drag of a cruising aircraft. Describing wall turbulence can guide the numerical resolution of some of the fluctuations at a limited cost by WMLES strategies wall-modelled large eddy simulation. The present physical analyses of zero-pressure gradient incompressible turbulent boundary layers at high Reynolds number rely on advanced numerical simulations. After validating a database, mean skin friction is decomposed by means of the FIK identity Fukagata et al. 2002, whose application despite the spatial growth is discussed. A spectral analysis shows that the large scales \lambda x > \delta contribute approximately half of the friction near Re \theta = 10^4. The limitations of the FIK identity motivate the derivation of a physical decomposition of the generation of friction whose asymptotic behaviour is then related to turbulent kinetic energy production in the logarithmic layer. In order to better reconstruct spatial spectra, a new method to estimate the turbulent convection velocity as a function of the wavelength of the fluctuations, adapted to spatial growth and to temporal signals of finite duration, is derived, interpreted, and assessed at Re \theta = 13000. Some of the conclusions enlighten modifications to a WMLES strategy, mode III of the ZDES method.

Résumé : Mieux comprendre les spécificités de la dynamique des couches limites à grand nombre de Reynolds malgré les contraintes métrologiques et son coût de simulation numérique est crucial. A titre d-exemple, cette dynamique peut déterminer plus de la moitié de la traînée d-un avion en croisière. Décrire la turbulence pariétale peut guider la résolution numérique d-une partie des fluctuations à un coût maîtrisé par des stratégies WMLES simulation des grandes échelles avec modèle de paroi. Les présentes analyses physiques de couches limites turbulentes incompressibles à gradient de pression nul et à grand nombre de Reynolds s-appuient sur des simulations numériques avancées. Après validation d-une base de données, le frottement moyen pariétal est décomposé selon l-identité FIK Fukagata et al. 2002, dont l-application malgré le développement spatial est discutée. Une analyse spectrale montre que les grandes échelles \lambda x > \delta contribuent à environ la moitié du frottement vers Re \theta = 10^4. Les limitations de l-identité FIK motivent la dérivation d-une décomposition physique de la génération du frottement dont le comportement asymptotique est alors relié à la production d-énergie cinétique turbulente dans la zone logarithmique. Pour mieux reconstruire les spectres spatiaux, une nouvelle méthode d-estimation de la vitesse de convection turbulente en fonction de la longueur d-onde des fluctuations, adaptée au développement spatial et à des signaux temporels de durée finie, est dérivée, interprétée et évaluée à Re \theta = 13000. Certaines des conclusions éclairent des modifications d-une stratégie WMLES, le mode III de la méthode ZDES.

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Keywords : Numerical simulation Hybrid RANS-LES method High-Reynolds number turbulent boundary layers

Mots-clés : Vitesse de convection turbulente Frottement moyen pariétal Méthode hybride RANS-LES Turbulence pariétale Couche limite turbulente à grand nombre de Reynolds Simulation numérique





Author: Nicolas Renard -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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