Introduction à la CFD - Educnet, Ressources pédagogiques … · · 2016-07-04Code_Saturne...
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Introduction à la CFDGénéralités et applications aux bâtiments
Bertrand Carissimo, CEREA
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CFD = Computational Fluid Dynamics
= résolution numérique des équations de Navier-Stokes
C. Navier (1822) G. Stokes (1845)
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– Conservation de la masse (incompressible)
– Conservation de la quantité de mouvement
– Conservation de l’énergie
– Equation de transport des espèces
Introduction à la CFD
Equations de Navier-Stokes
Equations instantanées :
i
i
0u
x
i i ij i3
j j j j
u u 1 P uu g
t x x x x
mj j
j j j p p j
T T T T P Pu u
t x x Pr x c c t x
j m
j j j
c c cu D R
t x x x
Système d’équation aux dérivées partielles (temps, espace)
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Principe
Passage du modèle continu au modèle discrétisé
Système continu
Equations de transport
Conditions initiales
Conditions aux limites
Solution exacte c(x,y,z,t)
Système discret
Equation de transport
Conditions initiales
Conditions aux limites
Solution exacte c*(xi,yj,zk,tn)
Discrétisation sur un maillage (xi,yj,zk) de l'espace et sur les
pas de temps tn
Modèle basé sur une discrétisation des équations de transport (masse, quantité de mouvement, espèce) sur un maillage de l'espace
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MaillagesStructuré
Géométrie complexe
non-structuré
Maquette numérique / maillage : étape primordiale
Non-structuré
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Mais …. présence de turbulence
Complexité, variété…
Vague déferlante
DS 19 (ONERA)
TornadeFumée (nuit à la santé)
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L’expérience de Reynoldsproduction de turbulence par instabilité dynamique
Suivant la valeur du nombre de Reynolds Re = UD / , l’écoulement
adopte des comportements radicalement différents.
Laminaire
Transitoire
Turbulent
UD Re < Rec,1
Re > Rec,2
Il paraît logique qu’un écoulement plus visqueux soit plus stable.
Rec ~2000
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The Rayleigh Number is defined as:
Where :
Tu is the Temperature of the top plate
Tb is the Temperature of the bottom plate
L is the height of the container.
g is the acceleration due to gravity.
ν is the kinematic viscosity.
α is the Thermal diffusivity
β is the Thermal expansion coefficient
Valeur critique (Rayleigh 1916)
Rc = 27⁄4 π4 ≈ 657.51
Instabilité de Rayleigh-Bénard :
production de turbulence par effet thermique
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Répartition spatiale et temporelle
Lt
Aspect général du champ de vitesses
Un champ de vitesse turbulent présente :
• Une forte variabilité spatiale : tourbillons (oustructures) de taille Lt
• Une variabilité temporelle : fluctuationsd’échelles de temps T
• Une « moyenne » lisse et peu variable
x0, y0, z0
t
T ut
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Introduction à la CFD
Equations résolues et modélisation de la turbulence
Approches de modélisation de la turbulence
• Direct Numerical Simulation (DNS)– Simulation de toutes les échelles de tourbillons
– Plus petites échelles = échelle de Kolmogorov
• Large Eddy Simulation (LES)– Simulation des tourbillons (eddies) plus gros que la résolution du
maillage
– Modélisation des tourbillons de sous-maille
• Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)– Résolution des grandeurs moyennées sur un grand nombre de
réalisations
– Utilisation de modèles de turbulence
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Répartition spectrale de l’énergie turbulente:
𝜅 =2Π
Λ
production dissipation
D.N.S.
L.E.S.
R.A.N.S.
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The issue of Direct Numerical Simulation
Dimensional analysis (Kolmogorov)Size of the largest eddies: L~ k3/2/ (~size of the domain)
Size of the smallest eddies: l~(3/)1/4
L/l ~ [ k1/2 L/ ]3/4 ~ Re3/4
Standard industrial calculationL ~ 0,5 m, V ~ 2 m/s, ~ 10-6 m2/s, turbulent intensity 10%
Re ~ 105
L/l ~ 6x103
more than 200x109 cells needed for direct simulation of turbulence!!
(moreover, time step linearly with L/l)
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Principle of LES
An unsteady approachno average, the equations solved yield instantaneous values
the fields are spatially filtered, to consider only the larger turbulent scales
the dissipative effect of the smaller eddies is modelled by an additional viscosity (« sub-gridviscosity »)
filtering usually implicit (cut-off scale=mesh size)
Different modelsSmagorinsky model
similar in writing to a mixing length model
damping of Cs is needed near the walls
dynamic model
automatic adaptation of Cs, including near the walls
based on explicit filtering
y
uv
y
uv
t
u
""
u
.
y
uuv sg
""
y
uCssg
2
u
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RANS/LES differences
The equations are similar in writing
... but they are completely different in physical meaning
LES RANSModelling of the small structures Modelling of the whole turbulent spectrum
Instantaneous variables Statistical averages
Statistical analysis compulsory Direct analysis
Unsteady by nature Usually steady
LES is usually more expensive, butfiner description of specific areas
provides information on frequencies of turbulent phenomena
the choice is not always obvious
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Moyennes de Reynolds
Effet du procédé
Le champ de vitesses moyenné est :
• Lisse (régulier dans le temps et l’espace)
• Insensible aux conditions initiales
(reproductible)
• Parfois constant, parfois 2D, bien que
le champ réel ne le soit jamais Vitesse réelle
Vitesse moyenne
Remarques importantes
On prendra garde :
• A se souvenir de la signification physique
des champ moyens
• A ne pas confondre les structures
cohérentes (recirculations du champ
moyen, stables) avec des tourbillons turbulents
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• Décomposition de Reynolds– Chaque grandeur G est décomposée en moyenne + fluctuation
– La moyenne de la fluctuation est nulle
– La moyenne du produit des fluctuations de 2 grandeurs n’est pas forcément nulle
Introduction à la CFD
Approche Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)
G G G
G 0
F G 0
FG F G F G
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– Conservation de la masse (incompressible)
– Conservation de la quantité de mouvement
– Conservation de l’énergie
– Equation de transport des espèces
Introduction à la CFD
Approche Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)
i
i
0u
x
i i ij i j i3
j j j j
u u 1 P uu uu g
t x x x x
mj j j
j j j p p j
T T T T P Pu u T u
t x x Pr x c c t x
j m j
j j j
c c cu D u c R
t x x x
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• Problème de fermeture : exemple de l’équation de la QDM– Equation des moments d’ordre 1
– Equation des moments d’ordre 2
– Equation des moments d’ordre 3
– Etc…
Introduction à la CFD
Approche Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)
i ij 1 a a b a,b 1,2,3
j
fu u
u u ,u ut x
i j i jk 2 a a b a b c a,b,c 1,2,3
k
fuu uu
u u ,u u ,u u ut x
i j k i j kl 3 a a b a b c a b c d a,b,c,d 1,2,3
l
fuu u uu u
u u ,u u ,u u u ,u u u ut x
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• Fermeture à l’ordre 1– Dans les applications atmosphériques, fermetures essentiellement à
l’ordre 1, basées sur le modèle de Boussinesq
– Il s’agit d’une analogie aux lois de Newton, Fourier et Fick
Introduction à la CFD
Approche Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)
m
h
c
jii j ij
j i
i
i
i
i
u K
Tu T K
x
cu K
x
uu 2u k
x x 3
c
: Energie cinétique turbulente 12 i ik uu
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• Les limites d’un modèle de fermeture– Prenons l’exemple de la diffusion d’espèce
– La grandeur Kc n’est pas une constante, elle dépend de l’écoulement
– Le flux dans une direction dépend de la composante du gradient dans la même direction pas toujours
– Le flux en un point est proportionnel au gradient au même point pas toujours
– Le flux est en sens opposé au gradient pas toujours
Introduction à la CFD
Approche Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)
i c
i
cuc K
x
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Introduction à la CFD
Approche RANS et modèle k-
• Fermeture à l’ordre 1– On utilise le modèle de Boussinesq
– On modélise Km, Kh et Kc
m
h
c
jii j ij
j i
i
i
i
i
u K
Tu T K
x
cu K
x
uu 2u k
x x 3
c
2m m
m h c
t t
k K KK c K K
Pr Sc
: taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente
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Introduction à la CFD
Approche RANS et modèle k-
• Equations de transport pour k et – Equation de transport pour k
– Equation de transport pour
mj k k
j j k j
k k K ku P B
t x x x
mj 1 k 2
j j j
Ku c P c
t x x x k
k
k
0
uP u w = production de k par cisaillement
zg
B w = production/destruction thermique de k
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Complexité
Efficacité
permanent
cisaillé
transitoire
presque
cisaillé
transitoire
complexe
rapidement
transitoire
complexe
Panorama des modèles existants
DNS
T constant
0 équation 1 ou 2 équations plus de 2 équations
Lm
k–Lm
k–
EARSM
k––
Cas
Rij–
LES
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Examples de modèles CFD
Liste de modèles
• Fluent
• CFX
• StarCD
• Phoenics
• Code_Saturne (www.code-saturne.org)
• OpenFoam (www.openfoam.org)
•etc…
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Code_SaturneOpen-source general purpose CFD software
Physical modellingLaminar and turbulent flows: , SST, v2f, RSM, LES
Radiative transfer (DOM, P-1)
Coal, heavy-fuel and gas combustion
Electric arcs and Joule effect
Lagrangian module for particles tracking
Atmospheric modelling
ALE method for deformable meshes
Rotor / stator interaction for pumps modelling
Conjugate heat transfer (SYRTHES & 1D)
Common structure with NEPTUNE_CFD for Eulerian multiphase flows (DNB, LOCA, …) – not open-source
FlexibilityPortability (Unix, Linux, MacOS X and Windows)
Graphical User Interface with possible integration within the SALOME platform
Parallel software on distributed-memory computers – periodic boundaries with arbitrary interfaces
Large range of unstructured meshes with arbitrary interfaces
Code coupling capabilities (Code_Saturne / Code_Saturne, Code_Saturne /Code_Aster, ...)
Mesh generators (IDEAS, Simail, SALOME, STAR-CCM+, GMSH, GAMBIT, …)
kk ,
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Parallelism and periodicity
Classical « domain partitioning » using MPIPartitioning using METIS, SCOTCH
or internal Morton space-filling curve
Classical « ghost cell » method for
both parallelism and periodicity
Most operations require only ghost cells sharing faces
Extended neighborhoods for gradients also require ghost cells sharing vertices
Input output is partition independant
Periodicity uses same mechanismTrue geometric periodicity (not a BC)
Vector and tensor rotation may be required
(semi-explicit component coupling in rotation)
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High Performance Computing with Code_Saturne
Code_Saturne used extensively on HPC machines
In-house EDF clusters
CCRT calculation centre (CEA based)
IBM Blue Gene (EDF BG/P with 32 000 cores, FZJ JuGene)
HECToR (EPCC)
Tests run by STFC Daresbury up to 1.96 billion cells
Intensive work on parallel optimisation
Code_Saturne used as a reference software in PRACE European project
Reference code for CFD benchmarks on 6 large European HPC centres
DNS HPC with Code_Saturne
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High Performance Computing
Calc
ul «
de P
oin
te»
Calc
ul sta
ndard
2003 2011 2015-202020092006
100 M cellules
2 mois
10 à 100 Milliards cellules
2 mois
1 Milliard cellules
2 mois
10 M cellules
2 mois
1 M cellules
2 mois
5 M cellules
1 mois
100 M cellules
15 jours
10 M cellules
1 mois
1 M cellules
1 mois
1 M cellules
2 à 6 mois
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QUESTIONS ?
PAUSE !
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Exemples d’applications
avec Code_Saturne
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Large Eddy Simulation (unsteady turbulence modelling)
Dynamic model (with filter requiring no homogeneous direction)
Wall treatment: refinement with hanging nodes or wall functions
Synthetic turbulence (for inlet and coupling with RANS)
Application example: thermal fatigue
Contrary to classical RANS approaches,
Large Eddy Simulation
allows to represent the
large structures of the flow, and,
by thermal coupling with the structure,
to determine the
wall thermal loading.
Wall temperature
(Syrthes)
Fluid temperature
Code_Saturne
Time
Wall refinement with hanging nodes
Synthetic turbulence method at inlet
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Fuel Assembly Vibration and Deformation
Expertise of manufacturer solutions
Effect of hydraulic loads on:Progressively local approach from the vessel to the mixing grid
Validation on experimental data at each stage
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34 - General presentation of Code_Saturne – 13 – 14th March 2012
Pulverized Coal Furnace Slagging
Pulverized Coal combustion
Ash deposit on shell plates and exchangers reduces
the efficiency of Q600-type pulverized coal-fired boilers.
Low NOx burner
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Wood combustion model for domestic stove
Heavy fuel oil combustion
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Atmospheric modelling
Specified modelsBoundary conditions
Atmospheric boundary layer
Potentiel temperature
Atmospheric flows, plume emissions, pollutant dispersion
ECL-IRSN
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Wind potential estimates
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Nano particle formation due to road traffic
emissions
CEREA
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Preservation of the Lascaux cave
Collaboration with French Ministery of Culture
Aeraulics, thermal and hydric transfers
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Air quality in operating theaters
Heat, ventilation and air conditioning in hospitals
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Mixed convection in complex geometries
• Radiative heat transfer, mixed convection
• Pollutant advection
• Doors and air conditioning effects
Examples of exotic applications with Code_Saturne:
Aeraulics – Health and Safety
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Autres applications
autour du bâti
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Influence d’une paroi végétalisée
( Saneinejad, et al. 2011 )
Credit : Atelier International du Grand ParisEvolution de la température au centre de la rue
avec et sans végétation :
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Effect of green walls in an urban
canyon on pollution by particles( PM10, Pugh et al. 2012 )
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Influence des arbres
Différences de pollution avec et sans les arbres
Effets barrière + dépôts
Emissions biogéniques
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Morphologie des quartiers
(Venas & Borresen,
2010)
Modifier un square pour le confort ( vents forts )
• Différentes
options de
pare vent
• Modification
de façades
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Morphologie des bâtiments
Kastner-Klein et al 2004
Influence de la forme des toits
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http://www.iau-idf.fr/
Pollution in a street canyon
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TraficVentilation des rues
Réactions chimiques
(Lacour et al. 2003)Oxyde d’Azote Ozone
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Couverture du Landy (A1) :
Thierry Kubwimana, CETU
Laëtitia Girault, CEREA
Impacts des couvertures
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Exemple de couplage d’un code CFD
avec un code de bâtiment
(campagne de mesure EM2PAU)
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Thèse Noëlie Daviau, CEREA
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Toulouse 2014 field campaigns (3)
(also 1 in Paris and 1 in Marseille)
62
Fixed and mobile network:
-Meteo
-AQ
-Sound
+ traffic counts
+ questionnaires (10,16,19h)
Source : GoogleEarth
ANR BVD 2 0 1 1
ANR BVD 20 1 1
ANR BVD 2 0 1 1
AN R BVD 20 1 1
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Numerical modeling :
3 - levels
Modèle météo MESO-NH+TEB
Boundary conditions
Champs micrométéo
Modèle acoustique (~300m)
Modèle CFD+thermo-radiatif (800m x 500m)
Modèle dyn de trafic(ou comptage)
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Maillage Marseille
ANR BVD 2 0 1 1
ANR BVD 20 1 1
ANR BVD 2 0 1 1
AN R BVD 20 1 1
IGN
BD-TOPOMaillage Code_Saturne
Geométrie et maillage :
salome-platform.org
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Toulouse Bordelongue :
rocade
route1
route2
route3
Prise en compte des sources locales de polluant dans le maillage
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Simulation Code_Saturne
(micro-météo + qa, avec bâtiments)
(~2m minimum)
Imbriquée sur les résultats
de MesoNH (régional, 250m-100m)
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Simulation Code_Saturne coupled with Meso-NH
(local impact from « rocade » sud west)
Z. Gao
Anti-noise barriers(rocade)
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Architects provide scenario after
meetings with locals
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Trois scénarios
Mûr antibruit à la hauteur de 3m (right)
Mûr antibruit à la hauteur de 6m (bottom-left)
Mûr antibruit à la hauteur de 3m
avec deux bâtiments démolis (bottom-right)
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0,5m au dessus du sol et un plan vertical qui traverse le quartier
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QUESTIONS ?
FIN !