A parallelized multidomain compact solver for incompressible turbulent flows in cylindrical geometries : application to the simulation of turbulent rotating flows

Ce travail concerne l’étude d’écoulements incompressibles soumis à la rotation avec un solveur haute précision dans des géométries semi-complexes. La technique numérique mise en œuvre combine des schémas compacts, une méthode de projection multi domaine directe et un traitement efficace de la singularité à l’axe basé sur des conditions de parité dans l’espace de Fourier. Le solveur a été parallélisé avec une approche hybride MPI-OpenMP pour réduire les temps de calcul. Dans un premier temps, les précisions spatiales et temporelles de la méthode numérique et la scalabilité du solveur ont été vérifiées. La capacité du solveur à traiter des écoulements plus complexes a été évaluée en considérant des écoulements de type éclatement tourbillonnaire et un écoulement turbulent en conduite cylindrique. Dans un second temps, plusieurs écoulements typiques des machines tournantes ont été étudiés. Le premier écoulement est un écoulement turbulent incompressible isotherme dans un étage simplifié d’un compresseur haute pression d’une turbine à gaz. Les simulations menées ont mises en évidence l’effet de la rotation sur l’écoulement, notamment sur les instabilités se développant le long des parois et sur les différentes structures cohérentes. Le second cas traité est un écoulement turbulent de jet impactant un disque en rotation avec un fort confinement et transfert thermique. Une attention particulière a été portée sur les champs hydrodynamiques et thermique le long du rotor. Enfin, une étude préliminaire d’un jet turbulent impactant un disque fixe d’épaisseur non nulle dans une configuration moins contrainte avec prise en compte du couplage conduction-convection a été réalisée.This work deals with the study of rotating incompressible flows with a high accurate solver in semi complex geometries. The numerical method used in this work combines compact schemes, a direct multidomain projection method and an efficient axis treatment based on parity conditions in Fourier space. The use of cylindrical coordinates introduces this mathematical singularity. In order to reduce the calculation time, the solver was parallelized with an hybrid MPI-OpenMP parallelization. First, the spatial and temporal accuracies of the numerical method and the scalability of the solver were checked. Then, the capability of the algorithm to deal with more complex flows was verified. Vortex breakdown flows and turbulent pipe flow were studied. In the second step, typical flows of turbomachineries and rotating systems were considered. The first flow was an incompressible isothermal turbulent flow in a high pressure compressor of gas turbine. The different simulations highlighted the rotation effects on the flows, especially on the instabilities appearing along the walls and the coherent structures. The second considered flow was a turbulent impinging jet on a rotating disk with heat transfer in a small aspect ratio cavity. The hydrodynamic fields and heat transfer near the rotor were analyzed in detail. Finally, a preliminary investigation of an impinging jet on a non-rotating disk in a larger aspect ratio cavity with a coupling between conduction and convection transfer was carried out