Accélérer la modélisation de la turbulence

Guillaume Sahut, qui effectue un post-doctorat au LEGI* après une thèse dans le même laboratoire, contribue à enrichir les logiciels utilisés pour résoudre les calculs de turbulence encore plus rapidement.

                                                                              

         Essentielle aux activités humaines, la turbulence permet de dégager les puissances nécessaires pour faire voler les avions, faire rouler les voitures, fabriquer du verre, du ciment et la plupart des objets qui nous entourent... C’est elle aussi qui détermine l'évolution de notre planète. « La turbulence est un phénomène physique caractérisé par la présence de tourbillons au sein d’un fluide, liquide ou gazeux, explique Guillaume Sahut, post doctorant au LEGI dans le cadre de la Chaire Hydro'Like, portée par la Fondation Grenoble INP grâce au mécénat de General Electric Renewable Energy. Elle est naturellement présente dans des écoulements complexes de fluides, par exemple dans un écoulement d’air lorsque celui-ci rencontre les pales d’une éolienne, ou dans un écoulement d’eau au passage d’une turbine hydraulique. Dès lors, comprendre la turbulence des fluides, liquides ou gazeux, ouvre des perspectives dans de nombreux domaines. »

Le comportement d’un fluide est régi par l’équation de Navier-Stokes, dans laquelle la turbulence est intrinsèquement contenue. La turbulence est un phénomène qui s’étend sur une gamme importante d’échelles spatiales. « Si l’on veut simuler la turbulence de façon exacte, il faut donc augmenter la résolution de notre calcul pour descendre jusqu’aux plus petites échelles spatiales de l’écoulement. » Cette méthode a pour avantage de décrire le comportement d’un fluide de façon très précise en en faisant évoluer chaque portion dans l’espace et le temps, mais a pour inconvénient d’être extrêmement gourmand en temps et en puissance de calcul. Au final, cet outil est inutilisable dans un contexte industriel où des séries de simulations doivent être réalisées chaque jour lors de la phase de conception d’une turbine par exemple.

Gagner du temps dans les simulations

Pour réduire les temps de calculs, la turbulence aux plus petites échelles spatiales peut être décrite de manière universelle par un modèle simple : les tourbillons sont toujours simulés aux grandes échelles accessibles par le calcul, et les plus petits sont modélisés. Même si cela diminue grandement la durée du calcul tout en conservant une précision très satisfaisante, cette approche dite de Simulation aux grandes échelles (SGE) n’est pas suffisante pour être utilisée en routine dans l’industrie. « Il est possible d’accélérer la simulation en considérant la vitesse moyenne du fluide en un même point sur tout l’intervalle de temps de la simulation, c’est-à-dire une moyenne temporelle de la vitesse en ce point, explique Guillaume Sahut. Cette méthode est appelée moyenne de Reynolds (RANS, en anglais). » La durée de la simulation est alors encore diminuée et l’outil devient intéressant pour une utilisation quotidienne dans un contexte industriel.

L’objet du post-doctorat de Guillaume Sahut est justement d’intégrer cette méthode dans un code de calcul existant : le logiciel YALES2. « Il s’agit de développer une méthode RANS au sein du logiciel YALES2 afin d’obtenir des résultats de simulation plus rapidement, avec une précision avoisinant celle des méthodes de simulations aux grandes échelles pour une utilisation quotidienne, indique le chercheur. Le fait d’avoir les deux méthodes dans le même outil peut en outre être utile pour faire des comparaisons. »

Au sein de l’équipe MoST (Modélisation et Simulation de la Turbulence) du LEGI, ce logiciel est notamment utilisé pour réaliser des simulations de turbines et d’éoliennes par méthode SGE. Largement répandu dans les milieux académiques, ce code est également très utilisé dans l’industrie (General Electric, SAFRAN, Ariane Group...). La méthode étant désormais en cours d’implémentation dans le logiciel YALES2, son apport en termes de fiabilité et de gain de temps devra être validée sur un certain nombre de cas tests dont la solution est connue.

A suivre...