Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides »

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Boltzmann sur réseau,Aéroacoustique,maillage non uniforme,Turbulence,filtrage,

Keywords

Lattice Boltzmann,Aeroacoustics,non uniform mesh,Turbulence,filtering,

Titre de thèse

Développement de méthodes de Boltzmann sur réseau en maillages non-uniformes pour l’aéroacoustique automobile
Lattice Boltzmann Methods on non-uniform meshes for automotive aeroacoustics

Date

Vendredi 8 Juin 2018 à 10:30

Adresse

Centrale Marseille, 38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille Amphi A, RdC de l'Equerre

Jury

Directeur de these M. Pierre SAGAUT Université d'Aix Marseille
Examinateur M. Julien FAVIER Université d'Aix Marseille
Examinateur M. Denis RICOT Renault S.A.S
Examinateur M. Charles HIRSCH Université libre de Bruxelles
Rapporteur M. François DUBOIS Conservatoire National des Arts et Metiers
Rapporteur Mme Irina GINZBURG IRSTEA

Résumé de la thèse

L'objectif de ce travail est d'étudier les capacités de la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) dans un cadre numériquement contraignant : celui de la simulation aéroacoustique en maillage non-uniforme, à très haut nombre de Reynolds et à nombre de Mach non négligeable (Ma>0.1), appliquée à l'automobile. La problématique industrielle est celle du calcul du bruit intérieur d'origine aérodynamique, dont le calcul du champ de pression pariétal instationnaire sur le vitrage conducteur est la première étape décisive. Il a été constaté qu'un manque de précision sur la faible part acoustique du champ de pression total sur le vitrage, provenant très probablement d'erreurs au niveau des transitions de résolution du maillage, était la cause d'une surestimation du bruit intérieur. Nous présentons d'abord une contruction cohérente et unifiée de la méthode de Boltzmann sur réseau à partir de l'équation de Boltzmann, dans un cadre athermal faiblement compressible. Nous insistons particulièrement sur la cohérence des adimensionnements ainsi que sur la question de la limite hydrodynamique de l'équation de Boltzman sur réseau. Nous étudions ensuite en détail les propriétés aéroacoustiques de la LBM, en parcourant toutes les grandes familles d'opérateurs de collision de la littérature. Une variante de modèle à temps de relaxation multiples, utilisable pour l'aéroacoustique, est présentée et testée. Les modèles basés sur un filtrage sélectif de l'équation de Boltzmann sur réseau sont aussi étudiés. Un modèle alternatif simplifié de filtrage sélectif, rapide et compact, est développé et validé numériquement. Une étude préliminaire est également menée pour utiliser l'hyperviscosité introduite par ce dernier dans le cadre de calculs LES (Large Eddy Simulation), avec des résultats prometteurs. La problématique des maillages non-uniformes est abordée. Un recensement exhaustif des études LBM menées dans ce cadre dans la littérature montre qu'aucune ne correspond à nos contraintes. Un algorithme alternatif est développé pour traiter les problèmes observés aux transitions de résolution. Nous apportons également des modifications à un algorithme plus classique, validées numériquement. Enfin, des applications industrielles sont réalisées à l'aide des modèles développés dans le mémoire, en particulier sur un véhicule complet. Le potentiel impact positif sur la qualité du champ aéroacoustique en maillage non-uniforme de la stratégie LES basée sur l'hyperviscosité du filtrage sélectif est discuté.

Thesis resume

The main goal of this work is to study the capacities of the Lattice Boltzmann Method in a constrained numerical framework : that of numerical simulation in automotive aeroacoustics with non-uniform meshes, at high Reynolds number and non negligible Mach number (Ma>0.1). The industrial problem is the computation of the interior aerodynamic noise, which includes as its first decisive step the computation of the unsteady wall pressure field on the car windows. It was observed that a lack of precision on the weak acoustic part of the total pressure field on the driver-side window, which is most probably due to errors at mesh refinement interfaces, caused an overestimation of the interior noise. We first present a coherent and unified construction of the Lattice Boltzmann Method from the Boltzmann equation, in an athermal weakly compressible framework. We particularly insist on the coherence of the non-dimensionalization process, as well as on the question of the hydrodynamic limit of the Lattice Boltzmann Equation. Then, we study in details the aeroacoustic properties of the LBM by reviewing all the main families of collisional operators that exist in the literature. A variant of multiple relaxation time operator that can be used for aeroacoustics is presented and tested. Lattice Boltzmann Equations with selective viscosity filters are also studied. A simplified alternative selective filter, fast and compact, is developped and numerically validated. A preliminary study is also carried out so as to use the hyperviscosity stemming from the filtrering process for LES (Large Eddy Simulation) computations, showing promising results. The problem of non-uniform meshes is discussed. An exhaustive review of the LBM studies that have been carried out within that framework shows that none of them corresponds to our constraints. An alternative algorithm is developed in order to try and treat these transition interface issues. We also make modifications to a more standard algorithm, which are numerically validated. Finally, all the developed models of this work are applied to industrial cases, notably on a Renault vehicle. The potentially positive impact on the quality of the aeroacoustic field with non-uniform meshes of our hyperviscosity-based LES strategy is discussed.