Turbulence modelling of mixed and natural convection regimes in the context of the underhood-space of automobiles. - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2020

Turbulence modelling of mixed and natural convection regimes in the context of the underhood-space of automobiles.

Modélisation de la turbulence des régimes de convection mixte et naturelle dans le contexte de l'espace sous le capot des automobiles.

Abstract

The subject of this thesis is the turbulence modeling of buoyancy-driven flows, which emanate through the interaction of the gravitational force with a density difference. The motivation of this investigation comes from the problem faced by the PSA group in simulating natural convection flows in the under hood space of cars.The main goal of the present investigation is to test several models to account for buoyancy and to propose effective improvements which could provide a model applicable to buoyancy-driven flows and in addition to that, can be easily implemented in the software Ansys Fluent for the computation of natural convection flows in the Underhood-space of cars.In the context of this goal, three eddy-viscosity turbulence models are sensitized to the effects of buoyancy. The first approach which offers the better physical framework involves the extension of the constitutive relations for the Reynolds stress and turbulent heat flux in a linear way, to account for the anisotropic influence of buoyancy. This approach is applied to three different models and brings in drastic improvement of the results in reproducing the mean flow and the turbulent quantities and thus it is realized that this approach leads to physically based improvements.Furthermore, it is observed that, using a simple gradient diffusion hypothesis (SGDH) approach to model the buoyancy source terms leads to underestimate the effect of buoyancy on turbulence and the comparison with the DNS data shows that the generalized gradient diffusion hypothesis (GGDH) give improved predictions of the mean flow and temperature field. Another issue addressed in this work involves the sensitiveness to the buoyancy production term in the ε or ω equations and after a detailed analysis, it is realized that the results are very sensitive to this term and the optimal value of the coefficient is linked to the choice of the turbulence model. To avoid this limitation, another expression for the model of the buoyancy source term in the ε or ω equations is applied which considers the flux Richardson number and it is observed that there is an improvement in the prediction of mean flow profiles.Three different regimes of convective flows are studied namely, forced, mixed and natural convection and the more challenging differentially heated vertical channel flow configuration which poses a major challenge to the eddy-viscosity models is considered to develop the buoyancy sensitized model. As an outcome of these studies, the more physical and simplified forms of buoyancy sensitized model are proposed which is considered as the best compromise between the physical accuracy and numerical stability for buoyancy-driven flows.These buoyancy-sensitized models provide an opportunity to investigate other buoyancy-driven flows and paves the way for these models to be applied in the under hood space simulation.
Le sujet de cette thèse concerne la modélisation de la turbulence des écoulements influencés par la flottabilité, qui émanent de l’interaction de la force gravitationnelle avec une différence de densité. Cette étude est motivée par des problématiques rencontrées par le groupe PSA dans la simulation des écoulements de convection naturelle dans le compartiment moteur des véhicules.L’objectif principal de ce travail est de tester plusieurs modéles pour prendre en compte la flottabilité et de proposer des améliorations efficaces qui pourraient fournir un modèle applicable aux écoulements engendrés par la flottabilité. En outre, ces modifications doivent pouvoir être mises en œuvre dans le code Ansys Fluent pour le calcul des écoulements de convection naturelle dans les problèmes typiques cités ci-dessus. Dans le cadre de cet objectif, nous avons adapté trois modèles à viscosité turbulente aux effets de la flottabilité. La première approche qui offre le meilleur cadre physique implique l’extension des lois de comportement pour le tenseur de Reynolds et le flux thermique turbulent de manière linéaire, pour tenir compte de l’influence anisotrope de la flottabilité.Cette approche, appliquée à trois modèles différents, permet d’améliorer considérablement les résultats en reproduisant l’écoulement moyen et les quantités turbulentes. Dès lors, on se rend compte que cette approche conduit à des améliorations significatives en terme de physique.De plus, on observe que l’utilisation d’une approche simplifée d’hypothèse de diffusion par simple gradient “SGDH” pour modéliser le terme source de flottabilité conduit à une sous-estimation de l’effet de la flottabilité sur la turbulence. En outre, la comparaison avec les données de la simulation numérique directe (DNS) montre que l’hypothèse de diffusion par gradient généralisé “GGDH” donne de meilleures prédictions de l’écoulement moyen et du champ de température. Un autre aspect abordé dans ce travail concerne la sensibilité au modéle du terme de production par flottabilité dans l’equation de ε ou ω. Après une analyse détaillée, on constate que les résultats sont trés sensibles à ce terme et que la valeur optimale du coefficient est liée au choix du modèle de turbulence. Pour éviter cette sensibilité, on utilise une autre expression du terme source pour la modélisation de la flottabilité dans les équations de ε du ω qui tient compte du nombre de Richardson de flux et on observe une amélioration de la prédiction des profils moyens.Trois régimes différents d’écoulements sont étudiés, à savoir les régimes de convection forcée, mixte et naturelle. Parmi ceux-ci, la configuration de canal vertical différentiellement chauffé est considérée pour développer le modèle adapté à la flottabilité. C’est celle qui pose le plus grand défi pour les modèles à viscosité turbulente. Ces études ont abouti à la proposition d’une forme plus physique et simplifiée de modèles adaptés à la flottabilité, qui est considérée comme le meilleur compromis entre la précision physique et la stabilité numérique pour des écoulements induits par la flottabilité.Ces modèles sensiblisés à la flottabilité offrent des perspectives pour étudier d’autres configurations d’écoulements de convection mixte et naturelle et ouvrent la voie à l’utilisation de ces modèles dans les simulations dans le compartiment moteur des véhicules.
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tel-03260430 , version 1 (15-06-2021)

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  • HAL Id : tel-03260430 , version 1

Cite

Syed Mohd Saad Jameel. Turbulence modelling of mixed and natural convection regimes in the context of the underhood-space of automobiles.. Other [cond-mat.other]. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2020. English. ⟨NNT : 2020PAUU3033⟩. ⟨tel-03260430⟩
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