CFD-06. Écoulement inversé. Modèle de turbulence.

Dans cet article sur la Dynamique des Fluides Numérique (CFD), nous allons effectuer une analyse comparative courante de la CFD, l’étude de l’écoulement inversé après une étape. Elle illustre l’importance du choix du bon modèle de turbulence dans les simulations CFD.

Une fois de plus, nous utiliserons le logiciel Acusolve avec le pré-processeur Hyperworks CFD. Cette étude fait également l’objet d’un tutoriel disponible dans notre section Téléchargements où les étapes à suivre sont détaillées.

Dans cet exemple, nous n’étudierons pas le transfert de chaleur, mais nous nous concentrerons sur le champ de vitesse et en particulier sur l’étendue de la zone d’écoulement inversé après l’étape. Nous comparerons les résultats de deux modèles de turbulence adaptés à cette situation, le modèle K-omega et le SST (Shear Stress Transport).

Prétraitement avec Hyperworks CFD

La géométrie et les conditions du cas sont visibles sur l’image suivante:

Géométrie du modèle CFD étudié - Ecoulement après étape

Afin de simuler le cas avec Acusolve, ce domaine est doté d’une épaisseur de 0,1 mm pour obtenir une géométrie tridimensionnelle. Comme conditions aux limites, outre l’entrée et la sortie aux positions indiquées, des conditions de symétrie sont imposées sur les faces latérales et des conditions de paroi sans glissement sur le reste des limites, y compris la marche.

Pour le maillage, nous définissons une taille d’élément moyenne globale de 0,1 mm et affinons la partie inférieure, y compris la marche, avec une taille d’élément de 0,01 mm. L’image montre un détail du maillage dans la zone de la marche ainsi que le résumé du maillage Hyperworks.

Maillage de détail CFD - Flux après étape

Résolution et post-traitement

Après avoir simulé le modèle dans les deux cas proposés, nous pouvons voir les résultats de vitesse, et avec eux la zone d’écoulement inverse prédite par l’analyse. On constate que le modèle SST prévoit une zone de recirculation plus importante.

Flux après l'étape - Comparaison des modèles de turbulence

Le choix du modèle de turbulence influence également la convergence, qui pour cette simulation est plus rapide et plus claire avec K-Omega activé.

Modèle de turbulence

Enfin, voici quelques recommandations générales pour l’utilisation des modèles de turbulence courants afin de choisir le bon modèle pour une analyse CFD :

  • Spalart-Allmaras: Conçu pour les applications aérospatiales. Bonne efficacité et convergence. Limites et possibilité d’erreurs élevées dans les écoulements tridimensionnels ou complexes.
  • K-Epsilon: Bon rapport entre la précision et la vitesse. Plus précis pour les flux éloignés des murs. Il existe trois variantes :
    • Norme: Problèmes de convergence si les murs ont trop d’influence sur le problème ou si la courbure est élevée.
    • Réalisable: choix recommandé pour de nombreuses applications. Précision moindre à proximité des murs.
    • RNG: Meilleur pour les écoulements complexes à faible turbulence. Mauvaise convergence.
  • K-Omega: Meilleure description de l’écoulement près des murs. Utile lorsque les parois ont une grande importance dans l’écoulement. Mauvais résultats loin des surfaces. Mauvaise convergence dans certains cas et très dépendante des conditions initiales. N’est pas très recommandé pour les problèmes industriels courants.
  • SST: Essayer de combiner des modèles K-Omega près des parois avec une transition vers K-Epsilon dans les zones éloignées. Utile pour les problèmes de transfert de chaleur avec convection. Bonne précision mais problèmes de convergence possibles.
  • LES (dans Acusolve, disponible uniquement pour l’analyse transitoire) : modèle plus complexe. Utile dans les cas d’écoulement lent avec une composante thermique et une flottabilité significatives.
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