Une étude basée sur la résolution des équations moyennées de Navier-Stockes (RANS) écrites pour un écoulement bidimensionnel axisymétrique en régime stationnaire a été effectuée à l’aide du code ...saturne d’EDF pour caractériser l’écoulement autour d’une nacelle d’éolienne à axe horizontal de type NORDEX N80. Le modèle de turbulence k-E a été considéré. L’objectif du présent travail est d’établir une corrélation entre la vitesse mesurée à l’anémomètre placé sur la nacelle dans la zone du sillage proche et la vitesse du vent incident. Des modifications ont été apportées au niveau des conditions aux limites turbulentes à la paroi afin d’améliorer les résultats du code saturne. Les vitesses à l’anémomètre ont été calculées pour différentes vitesses de vent incident allant de 5 jusqu’à 25 m/s. Les résultats obtenus sont en bonne concordance avec les mesures expérimentales publiées par ECN 1.
Une méthode aux différences finies est utilisée pour résoudre les équations régissant un écoulement de type jet axisymétrique en régime turbulent. La discussion porte essentiellement sur la validité ...des deux modèles de turbulence les plus utilisés (le modèle
k–
ε et le modèle
k–
ε–
T
′2
) pour décrire l'écoulement dans les trois régions du jet, le modèle algébrique est ensuite adopté pour déterminer l'effet des conditions d'injection sur les paramètres de l'écoulement. Nous montrons que l'influence des conditions à la sortie de la buse est importante seulement dans la région du jet. Dans la région de régime établi, les conditions d'émission n'ont plus d'influence sur l'écoulement. Les deux modèles de turbulence utilisés sont valables et donnent des résultats identiques dans la région du régime établi en convection forcée, alors qu'en convection mixte, les résultats obtenus sont très différents même dans la zone auto-similaire, la fermeture de second ordre s'avérant plus efficace pour décrire les caractéristiques d'un jet axisymétrique.
We intend to solve equations governing turbulent axisymmetric vertical isotherm and non-isotherm jets. A finite difference method is used successfully to solve a system of a coupled partial differential equations. The intention is focused to the analysis of the validity, in the three jet regions, of turbulence models (the
k–
ε and the
k–
ε–
T
′2
models). The algebraic model
k–
ε–
T
′2
is then adopted to determine the effect of injection conditions on flow parameters. The numerical results show the importance of the inflow conditions only in the jet region. In the steady flow region the inflow conditions do not affect anymore the flow. Moreover, the numerical results show that both turbulence models are valid and give identical results in the region of the fully developed regime in forced convection. However, in mixed convection, results are very different even in the self-similar zone. The algebraic model
k–
ε–
T
′2
proved out to be more efficient in describing axisymmetric flow characteristics.
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La dispersion atmosphérique de substances dangereuses est un évènement susceptible d’entrainer de graves conséquences. Sa modélisation est primordiale pour anticiper des situations accidentelles. ...L’objectif de ce travail fut de développer un modèle opérationnel, à la fois rapide et précis, prenant en compte la dispersion en champ proche sur un site industriel. L’approche développée s’appuie sur des modèles issus de l’intelligence artificielle : les réseaux de neurones et les automates cellulaires. L’utilisation des réseaux de neurones requiert l’apprentissage d’une base de données de dispersion : des simulations CFD k-ϵ dans ce travail. Différents paramètres sont évalués lors de l’apprentissage : échantillonnage et architecture du réseau. Trois méthodologies sont développées :La première méthode permet d’estimer la dispersion continue en champ libre, par réseaux de neurones seuls.La deuxième méthode utilise le réseau de neurones en tant que règle de transition de l’automate cellulaire pour le suivi de l’évolution d’une bouffée en champ libre.La troisième méthode sépare la problématique : le calcul de l’écoulement est effectué par les réseaux de neurones alors que le calcul de la dispersion est réalisé par la résolution de l’équation d’advection diffusion pour le suivi de l’évolution d’un nuage autour d’un obstacle cylindrique. La simulation de cas tests non-appris avec des simulations CFD permet de valider les méthodes développées. Les temps de calcul mis en œuvre pour réaliser la dispersion sont en accord avec la cinétique d’une situation de crise. L’application à des données réelles doit être développée dans la perspective de rendre les modèles opérationnels.
Atmospheric dispersion of hazardous materials is an event that could lead to serious consequences. Atmospheric dispersion is studied in particular in this work. Modeling of atmospheric dispersion is an important tool to anticipate industrial accidents. The objective of this work was to develop a model that is both fast and accurate, considering the dispersion in the near field on an industrial site. The approach developed is based on models from artificial intelligence: neural networks and cellular automata. Using neural networks requires training a database typical of the phenomenon, CFD k-ϵ simulations in this work. Training the neural network is carried out by identifying the important parameters: database sampling and network architecture. Three methodologies are developed:The first method estimates the continuous dispersion in free field by neural networks.The second method uses the neural network as a transition rule of the cellular automaton to estimate puff evolution in the free field.The third method divides the problem: the flow calculation is performed by the neural network and the calculation of the dispersion is realized by solving the advection diffusion equation to estimate the evolution of a cloud around a cylindrical obstacle. For the three methods, assessment of the generalization capabilities of the neural network has been validated on a test database and on unlearned cases. A comparison between developed method and CFD simulations is done on unlearned cases in order to validate them. Simulations computing time are low according to crisis duration. Application to real data should be developed to make these models operational.
Depuis une dizaine d’années, l’évolution de la puissance des ordinateurs a permis de développer l’utilisation, dans les études d’ingénierie, des simulations 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) pour ...l’étude de l’atmosphère à petite échelle, en particulier pour la dispersion de polluants sur des sites industriels et urbains complexes. Compte tenu de la complexité des domaines à étudier et des ressources de calcul généralement disponibles, ces études sont la plupart du temps réalisées à l’aide des modèles RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), et particulièrement avec le modèle de fermeture k – e. Différents travaux de validation de l’approche RANS k – e ont mis en évidence quelques limitations à reproduire la dynamique de l’écoulement et de la dispersion dans des configurations géométriques complexes. Le travail de recherche réalisé dans le cadre de cette thèse a pour objectif une caractérisation expérimentale fine de l’écoulement et de la dispersion turbulente autour d’un obstacle bidimensionnel placé dans une couche limite de surface, afin d’évaluer la validité des modèles RANS en vue de leur application pour l’étude de la dispersion atmosphérique.Dans un premier temps, nous avons utilisé des techniques d’anémométrie à fil chaud, d’anémométrie laser Doppler et d’anémométrie par image de particules, pour déterminer le champ de vitesse dans une couche limite de surface rugueuse et autour d’un obstacle bidimensionnel de section carrée. Une attention particulière a été portée sur l’analyse des termes de l’équation évolutive de l’énergie cinétique turbulente (ECT) et sur la détermination de la viscosité turbulente vt. Différentes approches ont également été utilisées pour estimer le taux de dissipation e de l’énergie cinétique turbulente. Nous avons mis en évidence que ces différentes approches fournissent des résultats comparables dans le cas de la couche limite, tandis que seule la technique estimant e comme le résidu de l’ECT est applicable dans le sillage de l’obstacle. De plus, nos mesures ont permis d’évaluer les paramétrisations du modèle k – e et de montrer que la valeur du coefficient Cμ = 0.09 ne semble pas adaptée dans le cas de la couche limite, conduisant à une surestimation de vt, alors que cette valeur apparait plus adaptée dans le cas de l’obstacle. Une étude de sensibilité, portant la détermination de la constante σk du modèle k – e, indique une contribution non négligeable des termes de corrélation entre la vitesse et la pression dans le sillage de l’obstacle.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dispersion d’un scalaire passif, en mesurant les différents moments statistiques de la concentration, au moyen d’un détecteur à ionisation de flamme. Nous avons également déterminé les flux turbulents de masse, par un couplage entre les mesures de vitesse et de concentration, en prenant soin de contrôler les influences réciproques des deux techniques de mesure. Ces mesures nous ont permis de tester la validité de différents modèles de fermeture de l’équation d’advection-diffusion pour estimer les flux dans le sens vertical et dans le sens longitudinal. Nous avons également pu déterminer expérimentalement le coefficient de diffusivité turbulente Dt, nous permettant d’évaluer un nombre de Schmidt turbulent Sct, afin de mettre en évidence que la valeur Sct = 0.7 est adaptée à la majorité des zones étudiées, excepté dans la zone de recirculation induite par l’obstacle. Enfin, nous nous sommes intéressés aux différents termes de l’équation de la variance de la concentration et plus particulièrement à son taux de dissipation. À nouveau, les mesures nous ont permis de tester un modèle de fermeture disponible dans la littérature et de montrer la bonne cohérence entre le modèle et l’expérience.
In the last decades, there has been an increasing use of Computational Fluid Dynamics (CFD)simulations to evaluate the impact of atmospheric pollutants dispersion in within industrial and urban sites. Given the high geometrical complexity of these sites, these simulations are mainly performed adopting a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach and using k−e closure models. As is well known from previous studies, RANS k−e simulations are affected by some limitations that prevent them correctly reproducing the dynamics of the flow and the pollutant dispersion in complex geometrical configurations. The aim of the PhD is to provide a detailed experimental characterization of the flow and the turbulent dispersion around an idealized two-dimensional obstacle placed within a boundary layer flow. This is subsequently used to analyse the reliability of RANS closure models as predictive tools for the atmospheric dispersion of airborne pollutants. Initially we focus on the flow dynamics of a boundary layer flow developing over a rough wall and in the wake of a 2D obstacle. The velocity field is investigated experimentally by means of different measurement techniques, namely Hot Wire Anemometry (HWA), Laser Doppler Anemometry (LDA) and Stereo-Particle Imagery Velocimetry (PIV). A particular attention was devoted to the estimate of the turbulent viscosity nt as well as of the terms composing the turbulent kinetic energy budget (TKE), including its rate of dissipation e which was determined adopting different approaches. These measurements allowed us to analyse the accuracy of the parameterizations included in a standard k−e closure model. Our analysis show that a value of the coefficient Cμ = 0.09 leads to significant overestimation of nt in a boundary layer flow. Conversely, adopting Cμ = 0.09 provides a good agreement between modeled and direct estimates of nt in the wake of the obstacle. As a second step, we studied the dispersion of a passive scalar emitted by a ground level line source. To that purpose we measured the first four order moments of the concentration probability density function by mean of a flame ionization detector (FID). Furthermore, the coupling of the FID system with the LDA or HWA system allowed us to directly measure the turbulent mass transfer, i.e. the correlation between velocity and concentration fluctuations. The combination of these two techniques was carefully analyzed, in order to quantify eventual mutual disturbances of one measurement technique on the other. The measurements of the velocity/concentration correlations allowed us to determine experimentally the turbulent diffusivity Dt and the turbulent Schmidt number Sct , and therefore to test the accuracy of different closure models of the advection-distribution equation. Our results show that the value of the turbulent Schmidt number is approximately equal to 0.7 in most of the domain, except in the recirculation zone on the wake of the obstacle. Experimental data provide also a complete description of the spatial distribution of the concentration variance, and of the term composing its budget (with a focus on its dissipation). As for the velocity field, we test the reliability of different closure model proposed in the literature of the turbulent mass transfer terms, enlightening the shortcomings of simple gradient-law closer models.
Une étude numérique d'un jet rond, libre, turbulent, incompressible et à masse volumique variable est considérée. L'influence de la variation de la masse volumique est étudiée particulièrement dans ...le cas d'un jet d'air turbulent non-isotherme et de mélange hétérogène. Un modèle de turbulence
k–
ε basé sur la décomposition de Favre est utilisé. L'approche numérique adoptée est celle de Patankar et Spalding Heat and Mass Transfer in Boundary Layer, Intertext Books, London, 1970. Les résultats de la simulation numérique sont en accord satisfaisant avec les résultats expérimentaux de Chassaing Mélange turbulent de gaz inertes dans un jet de tube libre, Thèse d'état, INPT, 1979, ceux de Birch et al. J. Fluid Mech. 88 (3) (1978) 431–449 et ceux de Panchapakesan et Lumley J. Fluid Mech. 246 (1993) 197–223, 225–247. Ils montrent que le taux de décroissance axiale de la vitesse, de la température et de la fraction massique moyennes augmentent par rapport au cas à densité constante, lorsque la densité du jet est faible par rapport à celle de l'environnement. Ceci confirme que l'efficacité du mélange (paramètre qui indique la quantité de masse ou de chaleur issue du jet qui se trouve loin de l'axe de symétrie) augmente lorsque le rapport de masse volumique entre le jet débouchant et le milieu extérieur diminue. On montre également que les effets de densité sont fortement influencés par la gravité dans la zone de similitude.
A numerical investigation is reported for round free turbulent non-isothermal binary mixing incompressible jets discharging into a quiescent atmosphere. The standard
k–
ε model is used. The standard closure schemes in Favre averaged variables are first introduced. The parabolic numerical simulation method of Patankar and Spalding Heat and Mass Transfer in Boundary Layer, Intertext Books, London, 1970 is followed. The numerical simulations show a satisfactory agreement with the experimental results of Chassaing Mélange turbulent de gaz inertes dans un jet de tube libre, Thèse d'état, INPT, 1979, Birch et al. J. Fluid Mech. 88 (3) (1978) 431–449 and Panchapakesan et Lumley J. Fluid Mech. 246 (1993) 197–223, 225–247. The developed numerical code is used to study the sensitivity of turbulent characteristics to the density ratio between the jet and the ambient air. The decay rate of the mean axial velocity, temperature and mass fraction are shown to increase with decreasing density ratio. This confirms a higher mixing efficiency (parameter which determines the quantity of mass or heat injected at the jet exit and found further from the axis) when the density ratio between the jet and the quiescent air decreases. Finally, it is shown that the density effects are affected by the buoyancy terms in the similarity region of the jet.
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The hydrodynamic and thermal behaviours induced by a six flat-bladed turbine, in a closed, unbaffled, batch stirred vessel are numerically predicted by means of Computational Fluid Dynamic (CFD) ...model. Heat transfer is applied on the jacketed wall of the stirred vessel. Solutions of the time-averaged Navier–Stokes and energy equations in conjunction with the standard
k–
ε turbulence model are developed using a control volume discretization method.
A three-dimensional analysis of the hydrodynamic and thermal characteristics of the turbulent flow generated within the vessel are performed. Analyses concern the mean velocities and temperature fields, the turbulence kinetic energy and its production and dissipation rates. Turbulent flow characteristics are particularly examined between blades and in the impeller discharge stream. Also, the evolution in transient regime of the thermal state of the agitated vessel has been studied. Finally, Nusselt numbers numerically predicted are correlated by a dimensionless equation in order to be compared with ones found by other researchers.
L'étude hydrodynamique et thermique des écoulements turbulents induits dans une cuve cylindrique fermée non chicanée munie d'une turbine radiale à six pales, est entreprise par voie de simulation numérique. L'apport de chaleur est envisagé à la paroi de la cuve maintenue à une température constante. Les équations de Navier–Stokes et d'énergie thermique, régissant les phénomènes de transfert de quantité de mouvement et de chaleur, sont résolues par une méthode de discrétisation aux volumes finis. Le modèle de turbulence utilisé est du type
k–
ε standard. Dans différents plans de la cuve, nous avons apporté une analyse détaillée des caractéristiques hydrodynamique et thermique de l'écoulement turbulent, tels que les champs de vitesse, l'énergie cinétique turbulente, son taux de dissipation et la température. La zone balayée par les pales de la turbine ainsi que la zone de refoulement ont été particulièrement explorées. L'évolution de l'état thermique du milieu agité a été également étudié. De même, le nombre de Nusselt obtenu à partir des résultats locaux, a été comparé avec ceux trouvés dans des travaux antérieurs de la littérature.
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L'étude numérique du champ de vitesse dans une cellule d'échangeur à vortex en conditions isothermes est menée à l'aide du code CFD-ACE. La turbulence est modélisée par un modèle classique
k–
ε. On ...obtient ainsi une meilleur compréhension de la dynamique de l'écoulement secondaire : le modèle
k–
ε rend compte de sa forte dépendance vis-à-vis du nombre de Reynolds comme cela avait déjà été mis en évidence par les mesures expérimentales. Les variations du nombre de structures de recirculation composant l'écoulement secondaire, donnant un aspect symétrique ou non à celui-ci, vont influer sur les trajectoires et les temps de séjour des particules fluides au sein de l'échangeur.
Pour citer cet article : S. Petitot et al., C. R. Mecanique 330 (2002) 749–756.
Flow through a cylindrical flat chamber, a model of some particular heat exchanger, is investigated numerically using the CFD-ACE code. Turbulence is modelled using the classical
k–
ε model. A better understanding of the secondary flow is then obtained: the
k–
ε model shows a strong dependence of the secondary flow velocity field with Reynolds number as was pointed out with precedent experimental results. Variations of the number of vortexes composing the secondary flow, giving a symmetrical or asymmetrical aspect, will influence the fluid particle trajectories and time residence.
To cite this article: S. Petitot et al., C. R. Mecanique 330 (2002) 749–756.
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Nous présentons un résumé du savoir-faire pour la simulation des écoulements turbulents dans des configurations industrielles, c'est-à-dire pour des fluides dans des domaines à géométries complexes. ...Celles-ci impliquent l'utilisation de maillages non structurés et de méthodes variationelles. Après avoir posé le problème, nous rappelons les divers modèles proposés et principalement le modèle
k - ε, le plus utilisé aujourd'hui.
We present a summary of the state of the art for the numerical simulation of turbulent flows in industry. In most cases the geometry of the domain is complex and so unstructured meshes and variational methods have to be used. Having stated the problem, we recall various proposed models and we concentrate on the
k - ε model because it is the most widely used today.
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