Simulation numérique directe de la turbulence en présence d ... - ISAE

138 Chapitre 5. Turbulence en présence d’un blocage pariétal
Plus récemment, Campagne [11] et Bodart [7] ont proposé d’étudier des écoulements de
paroi en état statistiquement stationnaire de la turbulence. S’inspirant des études de Walker,
Campagne mena des études dans le cadre d’une surface libre alors que Bodart se préoccupait
davantage du cas de la paroi adhérente. Dans leur configuration, la surface de blocage est alimentée
en continu par une turbulence synthétisée grâce à un forçage aléatoire à distance, sans
influence du cisaillement moyen. Ces deux études ont permis de retrouver, voire de nuancer, les
conjectures avancées par leurs précurseurs. Le paragraphe suivant dresse un état des lieux des
phénomènes turbulents se déroulant en présence d’une surface de blocage.
5.1.1.2 Revue de la physique en proche paroi
Selon l’état de l’art actuel, il faut retenir qu’en présence d’une paroi, la turbulence est caractérisée
par l’occurrence simultanée de deux phénomènes : l’amortissement par effets visqueux et
les effets de blocage cinématique qui sont responsables de l’amplification des composantes tangentielles
de la vitesse. Le phénomène, appelé « floc » en français et « splat » en anglais, permet
d’expliquer pourquoi les composantes tangentielles de l’intensité turbulente peuvent augmenter.
Le fluide ne pouvant pénétrer la paroi, tout paquet de fluide venant l’impacter s’y écrase tout en
s’étalant dans les directions tangentielles. En ce sens, un « floc » transfère l’énergie de la composante
normale aux deux composantes tangentielles de la vitesse. Perot et Moin révélèrent que
ces évènements d’impacts étaient nécessairement associés à des éjections (« antisplat ») ayant
un effet inverse. Pour eux, le faible déséquilibre entre les deux types d’évènements s’explique
par les phénomènes visqueux. Mais les travaux de Walker, puis ceux de Magnaudet, modérèrent
cette affirmation laissant le champ de recherche ouvert quant aux mécanismes responsables du
caractère inhabituel du transfert intercomposantes dans la couche de blocage.
Lors de l’étude de la THI du chapitre 4, nous avons déjà évoqué ce type de transfert entre les
composantes u, v et w du champ de vitesse afin de permettre un retour à l’isotropie. Il est associé
au terme de corrélation pression-déformation Π ii des équations de transport des contraintes de
Reynolds. Dans le cas de la présence d’une paroi, ces termes œuvrent pour favoriser l’anisotropie
de la turbulence de manière à ce qu’elle passe de trois à deux composantes. D’autres termes
comme la dissipation peuvent aussi contribuer à cette redistribution de l’énergie, mais le terme
de pression-déformation reste le principal responsable, en situation de cisaillement libre, du
transfert intercomposantes. Ceci s’explique par l’association de forts gradients de pression et
d’une décroissance importante de la vitesse en zone de proche paroi. Le processus de transfert
intercomposantes est donc complètement différent de celui se produisant lors d’une THI en
domaine infini.
5.1.1.3 Positionnement du code EVEREST
La volonté de comprendre les mécanismes se déroulant aux plus petites échelles de la turbulence
(typiquement de l’ordre de l’échelle de Kolmogorov) nous a poussé à considérer un écoulement
moyen nul pour ne pas masquer les effets dus à l’agitation turbulente sur les phénomènes
identifiés à la paroi. Pour ce travail, nous laisserons donc de côté l’étude du cisaillement par le
champ moyen, néanmoins, nous analyserons en détail l’influence de la viscosité et du blocage
cinématique caractérisé par Huth et Graham. Pour mener à bien, cette validation numérique,
nous chercherons à retrouver les résultats mis en avant par Perot et Moin [47] et Bodart [7] dans
le cas d’une paroi solide. Une description détaillée de la configuration étudiée est entreprise dans
le paragraphe 5.1.2.