Modélisation de la turbulence

représentation théorique et très simplifiée des turbulences générées en aval d'un arbre par un vent régulier.

La modélisation de la turbulence est une branche de la mécanique des fluides utilisée pour prédire le comportement d'un écoulement dans lequel tout ou partie du fluide est turbulent.

Introduction

La présence d'une vorticité dans un écoulement ne fait pas nécessairement de celui-ci un écoulement turbulent. Le terme est réservé aux situations où de nombreuses échelles tourbillonnaires sont présentes et interagissent dans la cascade turbulente. Celle-ci est bornée aux petites échelles par la dimension de Kolmogorov, en-dessous de laquelle les tourbillons sont dissipés par viscosité.

Un tel écoulement est décrit par les équations de Navier-Stokes mais la faible taille de la dimension de Kolmogorov interdit en pratique une simulation numérique directe (en anglais DNS pour Direct Numerical Simulation), sauf pour des expériences numériques destinées à comprendre les mécanismes mis en jeu.

Outre la simulation directe les méthodes mises en œuvre pour résoudre ce problème reposent sur la physique statistique : la turbulence est considérée comme un processus statistique dont on suppose qu'il peut être décrit par la seule distribution temporelle en chaque point. L'approche repose sur un certain nombre d'étapes :

• l'écriture d'équations décrivant valeurs moyennes et fluctuations,
• modélisation des termes liés aux fluctuations,
• s'il y a lieu, raccorder ces termes aux descriptions standard des lois décrivant l'écoulement au voisinage de la paroi.

Il est également possible d'utiliser des méthodes hybrides dites de simulation des grandes échelles (en anglais LES pour Large Eddy Simulation) dans lesquelles on filtre le spectre de turbulence : les grandes échelles sont capturées par le calcul, les petites modélisées comme ci-dessus.

Les équations de Navier-Stokes moyennées

Modèle:Article détaillé On s'intéresse à un fluide incompressible décrit par les équations de Navier-Stokes correspondantes

$\frac{\partial u_i}{\partial x_i}=0$

$\rho (\frac{\partial u_i}{\partial t}+u_j\frac{\partial u_i}{\partial x_j})+\frac{\partial p}{\partial x_i}-\frac{\partial {\sigma }_{ij}}{\partial x_j}=0$

On note $p$ la pression, $\rho$ la masse volumique, $\mu$ la viscosité dynamique et

$S_{ij}=\frac{1}{2}(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i})$	le tenseur des déformations
${\sigma }_{ij}=2\mu S_{ij}$	le tenseur des contraintes visqueuses

En tenant compte de l'équation d'incompressibilité on remarque que

$\frac{\partial {\sigma }_{ij}}{\partial x_j}=\mu \frac{{\partial }^2{u}_i}{\partial x_j\partial x_j}$

On définit l'opérateur $Y(u_i)$ pour l'équation de conservation de la quantité de mouvement (le changement d'indice servira par la suite)

$Y(u_i)=\rho (\frac{\partial u_i}{\partial t}+u_k\frac{\partial u_i}{\partial x_k})+\frac{\partial p}{\partial x_i}-\mu \frac{{\partial }^2{u}_i}{\partial x_k\partial x_k}=0$

Le milieu est décrit par une distribution statistique des vitesses et l'on suppose que l'on peut caractériser ce milieu par la moyenne temporelle et la fluctuation de la vitesse en un point r

$u_i(t,r_i)={\bar{u}}_i(t,r_i)+u{\text{'}}_i(t,r_i)$

L'énergie cinétique de la turbulence est

$k=\frac{1}{2}\overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_i}$

En introduisant cette expression de la vitesse dans les équations de Navier-Stokes on obtient les équations moyennées introduites par Osborne Reynolds en 1895 :

$\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_i}=0$

$\rho (\frac{\partial {\overline{u}}_i}{\partial t}+{\bar{u}}_j\frac{\partial {\overline{u}}_i}{\partial x_j})+\frac{\partial \overline{p}}{\partial x_i}-\frac{\partial }{\partial x_j}({\sigma }_{ij}+{\tau }_{ij})=0$

On a défini le tenseur des contraintes de Reynolds :

${\tau }_{ij}=-\rho \overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_j}$

Comme tout tenseur de contraintes ce tenseur est symétrique. Le problème de la turbulence consiste à exprimer les 6 quantités indépendantes qu'il contient.

Équation de transport des contraintes

Julius C. Rotta a introduit en 1951 une équation de transport sur les contraintes de Reynolds. Pour y parvenir on utilise l'opérateur défini plus haut en écrivantModèle:,

$\overline{u{\text{'}}_{i}Y(u_j)+u{\text{'}}_{j}Y(u_i)}=0$

soit

$\frac{\partial {\tau }_{ij}}{\partial t}+\frac{\partial }{\partial x_k}({\bar{u}}_k{\tau }_{ij})=\underset{\text{Production}}{\underbrace{-{𝒫}_{ij}}}\underset{\text{Diffusion}}{\underbrace{+{𝒯}_{ij}-{\mathrm{\Pi }}_{ij}+{𝒟}_{ij}}}\underset{\text{Dissipation}}{\underbrace{+\rho {ϵ}_{ij}}}$

avec

Expression	Signification physique
${𝒫}_{ij}={\tau }_{jk}\frac{\partial {\bar{u}}_i}{\partial x_k}+{\tau }_{ik}\frac{\partial {\bar{u}}_j}{\partial x_k}$	Production : transfert de l'énergie de l'écoulement moyen vers la turbulence
${𝒯}_{ij}=\frac{\partial }{\partial x_k}(\rho \overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_{j}u{\text{'}}_k}+\overline{p^{\prime }u{\text{'}}_i}{\delta }_{jk}+\overline{p^{\prime }u{\text{'}}_j}{\delta }_{ik})$	Transport de la turbulence (contient une corrélation triple)
${\mathrm{\Pi }}_{ij}=\stackrel{‾}{p^{\prime }\frac{\partial u{\text{'}}_i}{\partial x_j}}+\stackrel{‾}{p^{\prime }\frac{\partial u{\text{'}}_j}{\partial x_i}}$	Redistribution de l'énergie turbulente (retour vers l'état isotrope)
${𝒟}_{ij}=\frac{\partial }{\partial x_k}\left(\nu \frac{\partial {\tau }_{ij}}{\partial x_k}\right)$	Diffusion de la contrainte
${ϵ}_{ij}=2\nu \stackrel{‾}{\frac{\partial u{\text{'}}_i}{\partial x_k}\frac{\partial u{\text{'}}_j}{\partial x_k}}$	Dissipation visqueuse

où ${\delta }_{ij}$ est le symbole de Kronecker.

Ces 6 équations contiennent 22 nouvelles inconnues. Il faut donc simplifier (modéliser) en remplaçant ces termes par des expressions des variables déjà présentes comme les composantes de ${\tau }_{ij}$. L'approche classique a été introduite par Kemal Handjalić et Brian Launder (1972)Modèle:,.

Modèles à N équations de transport

Les modèles à N équations de transport sont appelés en anglais Modèle:Lang, abrégé RANS.

Hypothèse de Boussinesq

En 1877, Joseph Boussinesq a proposé d'écrire ce tenseur comme le tenseur des contraintes dans le cas d'un fluide newtonien en faisant intervenir une viscosité de turbulence ${\mu }_t$

${\tau }_{ij}={\mu }_t(\frac{\partial {\overline{u}}_i}{\partial x_j}+\frac{\partial {\overline{u}}_j}{\partial x_i})-\frac{2}{3}{\mu }_t\frac{\partial {\overline{u}}_k}{\partial x_k}{\delta }_{ij}-\underset{\frac{2}{3}\rho k}{\underbrace{\frac{1}{3}\rho \overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_i}}}{\delta }_{ij}$

Le problème est réduit à la connaissance de $k$ et ${\mu }_t$, cette dernière valeur n'étant pas une propriété du fluide.

Modèles à deux équations

En prenant la trace de l'équation des contraintes de Reynolds ci-dessus on obtient une équation de transport pour $k$

$\rho \frac{\partial k}{\partial t}+\rho u_j\frac{\partial k}{\partial x_j}=\underset{\text{Production}}{\underbrace{{\tau }_{ij}\frac{\partial u_i}{\partial x_j}}}-\underset{\text{Dissipation}}{\underbrace{\rho ϵ}}+\underset{\text{Diffusion moleculaire}}{\underbrace{\frac{\partial }{\partial x_j}\left(\mu \frac{\partial k}{\partial x_j}\right)}}-\underset{\text{Transport}}{\underbrace{\frac{\partial }{\partial x_j}\left(\frac{1}{2}\rho \overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_j}\right)}}-\underset{\text{Diffusion pression}}{\underbrace{\frac{\partial }{\partial x_j}\left(\overline{p^{\prime }u{\text{'}}_j}\right)}}$

où $ϵ$ est la dissipation

$ϵ=\nu \stackrel{‾}{\frac{\partial u{\text{'}}_i}{\partial x_k}\frac{\partial u{\text{'}}_i}{\partial x_k}}$

Celle-ci peut être obtenue en écrivant l'équation

$\stackrel{‾}{2\nu \frac{\partial u{\text{'}}_i}{\partial x_k}\frac{\partial }{\partial x_k}Y(u_i)}=0$

soit

$\rho \frac{\partial ϵ}{\partial t}+\rho u_j\frac{\partial ϵ}{\partial x_j}=\dots$

En fait, cette expression comporte au second membre des termes très difficiles à modéliser et on se contente d'écrire un second membre analogue à l'équation sur l'énergie cinétique turbulente.

La viscosité turbulente est déduite de l'analyse dimensionnelle

${\nu }_t=C_{\mu }\frac{k^2}{ϵ}$

où $C_{\mu }$ est une constante de modélisation.

Le modèle le plus connu utilisé dans ce domaine est le Modèle:Lien de William P. Jones et Brian Launder, publié en 1972 et reformulé ultérieurement.

Il est également possible de travailler sur le taux de dissipation

$\omega =\frac{ϵ}{k}$

Ce type de modèle dit modèle k - ω a été introduit par Andreï Kolmogorov en 1942, à une époque où il n'était pas possible de le résoudre. Sa forme actuelle est due à David C. Wilcox.

Modèle à une équation de transport

Ce type de modèle a été introduit dans les années 1960. On part de la viscosité turbulente ci-dessus avec $C_{\mu }=1$ et l'on dérive

$\frac{D{\nu }_t}{Dt}=\frac{1}{\omega }\frac{Dk}{Dt}-\frac{k}{{\omega }^2}\frac{D\omega }{Dt}$

Le plus connu de ces modèles est sans doute le modèle Spalart-Allmaras (1992) de Philippe R. Spalart et Steven R. Allmaras pour les problèmes de couche limite en écoulement compressible.

Modèle à longueur de mélange

Le modèle utilisant une longueur de mélange, également nommé à zéro équation de transport, a été introduit par Ludwig Prandtl en 1925Modèle:,. Par analogie avec la théorie cinétique des gaz il a supposé que l'on pouvait construire une viscosité cinématique à partir du produit d'une vitesse caractéristique $u$ par une longueur de mélange $l_m$ et que le temps caractéristique formé à partir de ces deux quantités était du même ordre de grandeur que celui associé au cisaillement moyen

${\nu }_t\simeq u{l}_m,\frac{u}{l_m}\simeq \left|\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_j}\right|,i\ne j\Rightarrow {\nu }_t=l_m^2\left|\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_j}\right|$

d'où la composante correspondante du tenseur de Reynolds

$-\rho \overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_j}=\rho l_m^2\left|\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_j}\right|\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_j}$

Cette expression peut être généralisée par :

${\nu }_t=l_m^2\sqrt{2\overline{S_{ij}}\overline{S_{ij}}}$

L'expression de $l_m$ est spécifique d'un problème donnéModèle:,Modèle:,.

Modèles de simulation des grandes échelles

La méthode SGS ou en anglais LES consiste à séparer les échelles de turbulence en

• grandes échelles calculées directement,
• petites échelles, modélisées.

La première étape du processus consiste à définir un filtre passe-bas par l'intermédiaire du produit de convolution

${\bar{u}}_i(𝐫,t)=\int G(𝐫,{𝐫}^{\prime })u_i(𝐫-{𝐫}^{\prime },t)\mathrm{d}{𝐫}^{\prime }\equiv G*u_i$

Le filtre est normalisé :

$\int G(𝐫,{𝐫}^{\prime })\mathrm{d}{𝐫}^{\prime }=1$

Ce n'est pas un projecteur : $\overline{\stackrel{‾}{u_i}}\ne \overline{u_i}$. De plus cet opérateur ne commute pas avec la dérivée.

L'exemple le plus simple est le filtre « chapeau » (en anglais top hat) basé sur la taille de maille Δ

$G=\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{{\mathrm{\Delta }}^3}& \text{si}& |r_i-r{\text{'}}_i|<\frac{\mathrm{\Delta }}{2}\\ [0.6em]0& \text{sinon}\end{array}$

On écrit la solution sous la forme de la somme de la valeur filtrée et d'une perturbation de petite échelle, laquelle n'a la signification d'une fluctuation temporelle.

$u_i={\bar{u}}_i+u{\text{'}}_i$

on peut alors écrire les équations de Navier-Stokes filtrées :

$\frac{\partial {\bar{u}}_i}{\partial x_i}=0$

$\frac{\partial }{\partial t}(\rho {\bar{u}}_i)+\frac{\partial }{\partial x_j}(\rho {\bar{u}}_i{\bar{u}}_j)+\frac{\partial \bar{p}}{\partial t}-\frac{\partial {\bar{\tau }}_{ij}}{\partial x_j}-\frac{\partial t_{ij}}{\partial x_j}=0$

où $t_{ij}$ est le tenseur introduit par Anthony Leonard :

$\begin{array}{ccc}{t}_{ij}& =& \rho ({\bar{u}}_i{\bar{u}}_j-\overline{u_i{u}_j})\\ [0.6em]& =& \rho ({\bar{u}}_i{\bar{u}}_j-\overline{{\stackrel{‾}{u}}_i{\stackrel{‾}{u}}_j}-\overline{u{\text{'}}_i{\stackrel{‾}{u}}_j}-\overline{u{\text{'}}_j{\stackrel{‾}{u}}_i}-\overline{u{\text{'}}_{i}u{\text{'}}_j})\end{array}$

On remarquera que si G était l'opérateur moyenne de Reynolds les quatre premiers termes s'annuleraient. Par ailleurs si $t_{ij}$ respecte l'invariance galiléenne, ce n'est pas vrai pour chacun des termes qui le composent.

Pour fermer le problème il faut définir une approximation dans la maille, par exemple du type longueur de mélange (voir ci-dessus) comme l'a fait Joseph Smagorinsky (1963)

$l_m=C_S\mathrm{\Delta }$

où $C_S\sim 0.1$ est une constante de modélisation liée à la constante de Kolmogorov.

Liens externes

• Modèle:Site web
• Modèle:Site web

• Modèle:Site web

• Modèle:Site web

Modèle:Portail