Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires

1. Étude du phénomène de décrochage par des méthodes instationnaires ALFEREZ Nicolas – année 2 Bourse : ONERA/DGA Directeur de thèse : Pr. Eric Lamballais (Pr. P. comte) (Institut Pprime, Poitiers)‏ Encadrant ONERA : Ivan Mary, DSNA/CS2A 1

2. Plan Contexte et motivations Objectifs et description de l’approche Premiers résultats Conclusion et suite des travaux

3. Contexte : origine physique ONERA, H.Werlé Le décrochage de profils d’ailes • D’origine visqueuse, le décrochage provient du décollement massif de la couche limite à l’extrados du profil. Ce décollement conduit à des performances aérodynamiques médiocres. • Conséquence pour l’industriel : La limite de décrochage constitue bien souvent une borne supérieure du domaine de vol des aéronefs.

4. Contexte : généralités sur le décrochage Trois différents types de décrochage à vitesse modérées (McCullough & Gault, 1951) : • De type bord de fuite - profils épais (e/c >15% ) • De type bord d’attaque - profils d’épaisseurs modérées (9% < e/c < 15%) • De type profils minces

5. Contexte : décrochage dynamique Décrochage dynamique : décrochage d’une surface portante lors d’une variation d’incidence (oscillation de tangage, pilonnement…). Il se traduit par une variation importante des coefficients aérodynamiques. Vol d’avancement à grande vitesse Faible vitesse et forte incidence en pale reculante Vo Décrochage dynamique Hélicoptère en vol d’avancement :Incidence sur le disque rotor Contraintes vibratoires importantes Instabilités aéro-élastiques Facteur limitant l’enveloppe de vol de l’hélicoptère

6. La simulation numérique des écoulements • L’approche directe : DNS (Kc>Kkolmogorov) Simulation de toutes les échelles, jusqu’aux échelles dissipatives • Simulation des grandes échelles : LES (Kénergétique<Kc<Kkolmogorov) Simulation des grandes échelles et modélisation des plus petites • L’approche moyennée : RANS Simulation de l’écoulement moyen stationnaire et modélisation de la turbulence. EMPIRISME

7. Contexte : échec de la simulation RANS Décrochage dynamique Décrochage statique Les méthodes RANS actuelles ne permettent pas de simuler convenablement le décrochage (statique ou dynamique)

8. Description phénoménologique du décrochage • Couche limite turbulente hors équilibre : • Fort gradient de pression adverse • Transition par bulbe : • Modélisation RANS non adaptée • Dimensions caractéristiques faibles pour les expérimentateurs Recollement turbulent Décollement laminaire Transition

9. Etudes récentes du décrochage à l’ONERA • Sur le décrochage dynamique : • Coopération ONERA/DLR (PRF SIMCOS) • Base de donnée expérimentale autour du profil OA209 • Etude numériques à base de RANS, ZDES d’ailes OA209 en situation de décrochage dynamique • Rôle prépondérant du bulbe de décollement laminaire • Etude numérique haute résolution d’un profil OA209 à l’incidence de décrochage(I.Mary,V.Gleize) • Décrochage statique • Reynolds = 1 000 000 • 2200 processeurs • 3 mois de calcul pour atteindre régime permanent

10. CL Analyse statistique du décrochage de bord d’attaque • Objectif : Comprendre les phénomènes physiques responsables du développement et de l’éjection du bulbe de décollement laminaire de bord d’attaque. Itération sur tn Montée en incidence progressive • Simulation QDNS de la montée en incidence depuisαc – εjusqu’àαc + ε • Nécessité de réduire au maximum l’intervalle [αc – ε , αc + ε ] pour limiter les effets dynamiques • Répéter l’opération à partir de différents instants initiaux tn pour construire une base de donnée pertinente en vue d’une étude statistique • - caractériser la dynamique tourbillonnaire de bord d’attaque lors du décrochage

11. Configuration • Choix du profil : Naca-0012 • Expériences OA209 à trop haut Reynolds (~106 ) • Littérature abondante (expérience de Lee & Gerontakos, JFM 2004 à Reynolds 135 000) • Dynamique de décrochage similaire au profil OA209 • Rec = 105 • Coûts abordables • Dynamique tourbillonnaire de bord d’attaque similaire au cas à Re=106 (simulation de I.Mary,V.Gleize) • M∞=0,16 (compromis pour minimiser effet de compressibilité et temps de calcul) • Envergure domaine de calcul: 1 corde • •Nombre de points pour QDNS: 160 millions • Pas de temps : 0,15 μs • Intégration temporelle implicite (9 sous-itérations de Newton) • run de 11h sur 480 cœurs westmere = 5 temps d’advection (t u∞/c) • 3 runs nécessaires pour une expérience de montée en incidence

12. Méthode numérique : solveur FUNk • Solveur structuré Multibloc • Equations de Navier-Stokes compressible • Volumes finis 2ème ordre • Schéma hybride centré/décentré (AUSM+P) basé sur un senseur d’irrégularitée • Schéma visqueux sur 3 points (1D) • Intégration temporelle - Implicite du 2nd ordre (Gear + Newton +LU-SGS) • Pas de modèles sous maille employés • Outil Cassiopee de pre-processing de l’ONERA - Découpage de maillage et équilibrage - Interface avec le logiciel de maillage (ICEM) • Codage d’une méthode ALE pour maillages indéformables (Thèsede G. Thierry)

13. Optimisation du maillage pour améliorer isotropie des cellules Maillage non conforme dans la direction de l’envergure: - Nz est bloc dépendant • Nz = 900 • Nz = 300 • Nz =150

14. Résultats : résolution pariétale dans la direction de l’écoulement 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage

15. Résultats : résolution pariétale dans la direction normale à la paroi 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage

16. Résultats : résolution pariétale dans la direction transverse 9.8 deg = incidence avant décrochage 11.8 deg= incidence post décrochage

17. Evaluation de la résolution du maillage par rapport aux échelles dissipatives rapport entre la longueur de maille et l’échelle dissipative de Kolmogorov 9.8 deg 11.8 deg Direction: X y z

18. Evaluation du frottement à la paroi • Bulbe de décollement laminaire au bord d’attaque Lb =14% corde • Turbulent sur 80 % corde bulbe

19. Coefficients de pression • Effondrement du Cp à 11.8°, portance faible => décrochage

20. Evaluation de Rtheta • Evolution comparable au calcul OA209 Re = 1 000 000 dans la zone aval du bulbe

21. Premières observations de la dynamique de bord d’attaque • Profil porté à 11,8°d’incidence depuis 9,8°, calcul effectué sur 15% corde

22. Conclusion et suite des travaux • Avancées : • Reproduction de la dynamique instationnaire dans un cas de décrochage de bord d’attaque sur un profil Naca-0012 • Encadrement de l’angle critique de décrochage statique • Dynamique satisfaisante, comparable aux observations plus haut Reynolds • Suite des travaux • Resserrer l’intervalle [αc-ε, αc+ε] (en cours) • Etude statistique systématique • Moyenne de phase • Analyse Dynamic Model Decomposition (P.Schmid), collaboration avec DAFE

23. Etape de mise en mouvement du maillage • Formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) dans le cas particulier d’un maillage ne se déformant pas (d’après la thèse de Guillaume Thierry) Domaine de contrôle animé d’une vitesse arbitraire Vecteur des variables conservatives

24. Laminar bubble transition DNS on a flat plate Grid convergence Satisfying convergence in the transitional and turbulent regions. C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal,RANSModeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database. AIAA 2010-4444 - 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois 24

25. Laminar bubble transition DNS on a flat plate Validation : turbulent boundary layer Turbulent region : Validation by comparison of the kinetic energy budgets with Spalart’s DNS Good agreement with Spalart’s profiles is reached at (X−XR)/(XR−XS) = 2 C.Laurent, I.Mary, V.Gleize, A.Lerat, D.Arnal,RANSModeling of a Transitional Laminar Separation Bubble on a Flat Plate with DNS Database. AIAA 2010-4444 - 40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit,28 Jun - 1 Jul 2010, Chicago, Illinois 25

26. High fidelity flow simulation elsA-FUNk efficiency comparison: scalability Constant number if perfect scalability