CFD-11. Aérodynamique externe. Écoulement avec transition.

Dans ce billet sur la Dynamique des Fluides Numérique (CFD), nous traiterons d’un exemple d’aérodynamique externe où il est essentiel de bien saisir les effets de transition de régime. Ce cas nécessite une modélisation spéciale de la turbulence puisque dans la plupart des simulations CFD, il est possible de travailler en considérant que l’écoulement est à tout moment seulement laminaire ou turbulent.

Là encore, le modèle consistera en un domaine presque bidimensionnel avec les conditions de symétrie habituelles. Nous utiliserons Hypermesh et Hyperworks CFD pour préparer le modèle et effectuer le calcul avec Acusolve. La géométrie du domaine et son maillage sont visibles dans l’image ci-dessous.

Grille du domaine aérien dans lequel le profil est étudié au moyen de la CFD

Préparation du modèle CFD

Les conditions aux limites du modèle sont celles indiquées dans l’image, similaires à celles de l’étude de cas précédente d’un profil aérodynamique, mais adaptées aux différentes conditions de fonctionnement que nous voulons simuler.

Conditions limites pour l'étude de l'aérodynamique des profils par simulation CFD

Dans l’onglet physique, sélectionnez l’analyse d’écoulement “légèrement compressible” et le modèle de turbulence SST. Nous allons tester trois simulations, une avec le modèle sans effets de transition, une avec le modèle de transition Gamma et une avec le Gamma-Re-Theta.

Ces modèles introduisent une variable supplémentaire, l’intermittence, qui indique une moyenne de la fraction de temps pendant laquelle l’écoulement a un comportement turbulent. Dans les zones où l’intermittence est nulle, l’écoulement est totalement laminaire et lorsque l’intermittence est égale à 1, l’écoulement est turbulent.

Une explication plus détaillée de cette variable, ainsi que les étapes détaillées pour simuler le cas, peuvent être trouvées dans le tutoriel disponible dans la section Téléchargements.

Simulation CFD et résultats

Les images suivantes montrent les résultats de pression pour les trois cas simulés. En haut, le modèle SST entièrement turbulent sans effets de transition, au milieu avec le modèle de transition Gamma et en bas avec Gamma-Re-Theta.

Profils de pression dans un profil aérodynamique obtenus par simulation CFD avec différents modèles de transition de régime.

Les profils de vitesse et de nombre de Mach montrent que l’écoulement est loin d’être supersonique. Par conséquent, l’hypothèse d’un écoulement compressible subsonique est valable.

Ces résultats montrent de légères variations entre les modèles de transition, mais significatives par rapport au cas entièrement turbulent, en particulier dans la partie supérieure du profil. Si l’on tient compte de l’intermittence dans le cas du modèle Gamma, on constate que dans l’ensemble du sillage, les effets de la transition sont fondamentaux.

Résultats d'intermittence du modèle CFD.

Analyse des résultats. Coefficients typiques en aérodynamique.

En comparant les coefficients de pression obtenus dans les trois cas simulés, les modèles de transition donnent des résultats très similaires. Le modèle turbulent SST diffère des autres surtout dans la zone de détachement.

Graphique du coefficient de pression obtenu par simulation d'un profil aérodynamique.

Cette étude permet de conclure que les modèles de transition sont un outil important à prendre en compte dans les simulations où les échelles de turbulence sont très différentes, comme dans ce cas l’écoulement libre et le sillage du profil.

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