Diapositive 1

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Journée Thématique GDR Interaction
Fluide-Structure, 4/12/07 EDF- Chatou
Interaction fluide structure dans un faisceau de
tubes physique et modélisation M. Braza, G.
Harran, G. Barbut, Y. Hoarau
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Phénomènes physiques à capter par lapproche de
macrosimulation

• Instabilités de basse fréquence
• bien distinctes par rapport à la turbulence
  aléatoire
• Flottement hydroélastique
• Prédiction des chargements proche-paroi
• couplage dû à léchange énergétique
  fluide-structure

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THE IMFTs CIRCULAR CYLINDER - DESIDER
EU program TEST-CASE In S1 Wind tunnel IMFT
SIMULTANEOUS 3C-PIV and Time-resolved PIV
Re140,000
Longitudinal vortices along the span in connexion
with the von Karman ones
IUTAM Symposium Unsteady Separated Fmows and
their Control, June 2007 and J. Fluids
Structures, in print
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(No Transcript)
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The macrosimulation approach to capture the
organised coherent motion and the random
turbulence
Spectrum from phase-averaged signals
Spectrum from originals signals
Experimental data from PIV (M. Braza,R. Perrin,
Y. Hoarau, Journal of Fluids and Structure 2006)
and LDV (Djeridi et al, JFTAC 2003)
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OES Organised Eddy Simulation
Macrosimulation
OES Schematic separation of coherent/random
turbulence parts in the spectral domain
In the physical domain phase average
decomposition
Part (1) to be resolved Part (2) to be
modelled by reconsidered statistical turbulence
modelling, efficient in high-Re unsteady wall
flows
(Dervieux, Braza, Dussauge, Notes on Num. Fluid
Mech., 1998, Vol. 65, Braza, Perrin, Hoarau, J.
Fluids Struct., 2006, Vol. 22
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• The phase-averaged turbulence stresses
• Evaluated by tensorial eddy-viscosity concept
• Derived from second-order modelling

?ltUigt/ ? t ltUjgt ? ltUigt/ ? xj ? ltuiujgt/ ? xj
Temporal non-linear
convection new turbulent stresses - ?
ltPgt/dxi ? ? ²ltUigt/ ? xj²
Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAA J., 45,
2007.
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Anisotropic OES modelling
Considerations from the  IMFT circular
cylinder  exp. study DESIDER EU program,
Perrin et al, Exp. in Fluids, 42, 2006
Re140,000
Bourguet et al, AIAA J, 45, 2007
9
(No Transcript)
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Anisotropic OES Modelling Tensorial
eddy-viscosity concept Directional Cmi
coefficient, ajk Turbulence stress
anisotropy, Sij Strain-rate tensor,
advectable directional criterion derived from
DRSM Sarkar, Gatski, Speziale transport eqns, JFM
227 Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAAJ.
45, 2007
Cmi Cvi e/k
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(No Transcript)
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Anisotropic OES modelling

• Good agreement of experimental and modeled
  anisotropy tensor
• Implementation into NSMB solver
  PhD R. Bourguet

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Comparison of the experimental and predicted
phase-averaged turbulence shear-stress
Bourguet, Braza, Perrin, Harran, AIAAJ,
Vol.45,N5, 2007
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Anisotropic OES modelling

• Yields simplified isotropic OES in
  agreement with our previous studies
• derived by DRSM (Hoarau, Braza,
  IUTAM-02 Symposium Procs,
• Unsteady Separated Flows)

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Flow around a NACA 0021 airfoil at 60 angle of
attack
OES approach and two-equation modelling (isotropi
c version) Use of the modified damping
function (Jin Braza, AIAA J. 1994) derived
from DNS use of the eddy-diffusion
coefficient adapted by OES/DRSM Cm0.02
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OES
PIV -3C Moyenne de phase
OES/k-w
Fig. 4c. Up Iso-U velocity averaged field
compared with the PIV data, down, phase-averaged
experimental field at phase-angle 225 compared
with the DES-k-omega (IMFT).
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OES approach allows simulation of 3D shear-layer
instability at high-Re
Re140,000
Q_criterion
3D structure of shear-layer instability
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Interaction fluide-structure Faisceau de tubes
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Variation de la vitesse critique en fonction du
paramètre masse-amortissement (S. J. Price,
M.P. Paidoussis, J. Fluids Struct., Vol. 22,
2006)

• Petit Nombre de Scruton
• Instabilité dominée par lamortissement
• Implique un seule degré de liberté (SDOF).

• Grand nombre de Scruton
• Instabilité dominé par la raideur
• Implique deux degrés de liberté.

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Modélisation linéaire des forces
fluide-élastiques
Re 20000
Equation dynamique du cylindre SDOF
Modèle de force fluide-élastique
Connors (1970) quasi-statique
Price,Païdoussis (1986) processus  amnésique 
Granger Païdoussis (1996) processus à mémoire
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Application à linteraction fluide-structure dans
un faisceau de tubes Code NSMB Navier-Stokes
Multiblock Consortium EPFL, CFS Engn, KTH, ETHZ,
Tech. Univ. Münich, IMFT, IMFSS, RUAG
Aero Présente application Approche ALE Schémas
centrés Précision au second-ordre temporel et
spatial Modélisation OES modèles à deux
équations, de type k-w
41616 cellules
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Faisceau de tubes configuration statique
Re20 000
23
(No Transcript)
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Configuration statique
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Avec oscillation verticale du cylindre du
milieu à la fréquence naturelle et amplitude 0.1D
fréquence doscillation du cylindre
fréquence du détachement tourbillonnaire
Variation des coefficients de traînée et de
portance en fonction du temps (Ur1.18)
Analyse spectrale du coefficient de la portance
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Cylindre du milieu en vibration libre
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III. Configuration étudiée
Détail du maillage
Domaine du calcul
144 blocs - 73728 cellules
P/D1.75
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Variation des coefficients de traînée et de
portance en fonction du temps
Analyse spectrale du coefficient de la portance
entre les instants t83.06 s et t301.6 s.
f0.21 Hz
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ConclusionInteraction fluide-structure faisceau
de tubes

• Approche OES
• Evaluation des charges pariétales - échange
  énergétique fluide-structure
• Dissociation parties organisée et interaction
  avec turbulence aléatoire
• Approche 2D (méthode non-intrinsèque 3D)
• Capacité de prédicition à plus haut Re

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Perspectives

• Développements actuels
• Prédiction faisceau de tubes avec A_OES
• Prédiction en 3D
• Analyse de linstabilité de flottement
  cylindres en tandem
• Expérience physique avec TR-PIV/3C-PIV