Development of a hybrid RANS-LES model for the prediction of unsteady loads at the wall
Description
This work is devoted to turbulence modelling using hybrid RANS-LES approaches. These approaches offer the best potential to reach the compromise between the capability of LES to capture the large-scale structures in regions of interest, and the low-computational cost of RANS calculations in regions where LES resolution is not required or too CPU-demanding, notably in near-wall regions. The industrial objective for EDF is to use these methods to predict unsteady loads on large components (reactor coolant pumps) of pressurized water reactors. In this regard, a new formulation of HTLES (Hybrid Temporal Large-Eddy Simulation) is developed, in order to improve the theoretical foundation of the model, applying the Hybrid- Equivalence criterion. The interest of this model lies in the use of temporal filtering, to control the energy partition between resolved and modeled scales, ensuring a consistent bridging between RANS and LES models. The HTLES approach is applied to several RANS models, and the model is calibrated in decaying isotropic turbulence. In addition, a similar analysis shows for the first time that it is possible, from theoretical considerations, to derive a hybrid RANS-LES model based on scale modifications in a RANS model, which explicitly tends towards a standard LES model in LES regions. The control of the RANS-to-LES transition in near-wall regions is a major concern in this work. In order to improve the behavior of the HTLES model, a two-fold shielding function (depending on physical parameters and mesh criteria) and an internal consistency constraint are introduced, aiming at enforcing the RANS mode when the activation of the LES mode is not suitable. The validation process of the upgraded version of the model is carried out on channel and periodic-hill flows, reaching the expected outcomes: accuracy of the predictions and robustness of HTLES to grid coarsening. Moreover, it is shown that resolved vortices coming from the LES zone penetrates into the near-wall RANS region down to the wall, enabling the hybrid model to fairly reproduce the low frequencies. The capacity of HTLES to provide information on energy and pressure spectra at the wall is assessed, which is decisive to predict unsteady loads. Hence, HTLES offers a cost-saving alternative to a wall-resolved LES. Finally, the work focuses on a zonal control of HTLES (enforcing the RANS mode in large portions of the domain where the LES mode is not required), applying the ALF (Anisotropic Linear Forcing) at the RANS-to-HTLES interfaces to promote turbulent fluctuations. This feasibility study offers promising results. (author)
Abstract (French)
Cette these est consacree a la modelisation de la turbulence avec des approches hybrides RANS-LES. Ces approches permettent d'assurer le meilleur compromis entre, d'une part, la capacite de la LES a capturer les structures instationnaires dans les regions d'interet de l'ecoulement, et, d'autre part, un cout de calcul abordable en activant le mode RANS lorsque la resolution LES n'est pas necessaire ou trop couteuse, notamment en paroi. L'objectif industriel pour EDF est d'utiliser ces methodes pour estimer les efforts instationnaires qui s'exercent sur certains gros composants (GMPP) des reacteurs a eau pressurisee. En premier lieu, une nouvelle formulation du modele hybride HTLES (Hybrid Temporal Large-Eddy Simulation) est developpee, dans le but d'ameliorer ses fondations theoriques, en utilisant le critere de H-Equivalence. L'interet de ce modele reside dans l'utilisation du filtrage temporel pour controler la repartition d'energie entre les echelles resolues et modelisees, permettant de garantir la consistance entre les operateurs RANS et LES. L'approche hybride est appliquee a differents modeles de fermeture RANS, et la calibration est effectuee sur la decroissance d'une turbulence homogene isotrope. De plus, des developpements analytiques similaires permettent de proposer, pour la premiere fois, un modele hybride fonde sur une modification d'echelle dans une formulation RANS qui tend explicitement vers un modele LES preexistant. Le controle de la transition RANS-LES dans les regions de proche paroi est une problematique majeure de cette these. Afin d'ameliorer le comportement du modele HTLES, une fonction de protection double (dependante a la fois de parametres physiques et de criteres lies aux maillages) et une contrainte de consistance interne sont proposees pour imposer le mode RANS en paroi lorsque la resolution LES n'est pas appropriee. Le modele ameliore est valide sur les ecoulements en canal plan et sur les collines periodiques, avec des resultats tres satisfaisants et robustes vis-avis du raffinement du maillage. Il est de plus montre pour le cas test des collines periodiques que des fluctuations turbulentes resolues dans la zone LES penetrent dans la region RANS de proche paroi sans etre trop alterees. Cela permet de capturer correctement les basses frequences des spectres d'energie turbulente et de pression en paroi, ce qui s'avere decisif dans le but d'estimer les efforts instationnaires sur des composants. Finalement, la HTLES offre une methode de resolution alternative au cout numerique reduit par rapport a un modele LES resolu en paroi. Enfin, la these s'interesse a une version zonale de la HTLES (imposant le mode RANS dans les regions ou la resolution LES n'est pas necessaire), en appliquant le ALF (Anisotropic Linear Forcing) au niveau des interfaces RANS-HTLES afin de promouvoir l'apparition de fluctuations turbulentes resolues. Cette premiere etude de faisabilite offre des resultats prometteurs. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Developpement d'un modele hybride RANS-LES pour l'etude des efforts instationnaires en paroi
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 223 p.
- Report number
- FRNC-TH--14136
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54044054
- Subject category
- S42: ENGINEERING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ANISOTROPY; BOUNDARY LAYERS; FLOW MODELS; FLUID-STRUCTURE INTERACTIONS; LARGE-EDDY SIMULATION; MESH GENERATION; NAVIER-STOKES EQUATIONS; PRESSURE GRADIENTS; PWR TYPE REACTORS; REYNOLDS NUMBER; SENSITIVITY ANALYSIS; TURBULENCE; VISCOSITY; WALL EFFECTS
- Descriptors DEC
- COMPUTERIZED SIMULATION; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DIMENSIONLESS NUMBERS; ENRICHED URANIUM REACTORS; EQUATIONS; LAYERS; MATHEMATICAL MODELS; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; POWER REACTORS; REACTORS; SIMULATION; THERMAL REACTORS; WATER COOLED REACTORS; WATER MODERATED REACTORS
Optional Information
- Notes
- 125 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses