A fully automatic and robust hybrid Reynolds-averaged Navier–Stokes/large eddy simulation approach based on the Menter shear stress transport k–ω model
Une approche hybride Reynolds-Averaged Navier-Stokes / Large Eddy Simulation pleinement automatique et robuste basée sur le modèle Menter Shear Stress Transport k−ω
Résumé
A robust hybrid Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS)/Large Eddy Simulation (LES) strategy is proposed for a treatment of attached turbulent boundary layers with the RANS Menter Shear Stress Transport (SST) k–ω model irrespective of the grid density and pressure gradient and a quick RANS/LES switching after separation which is automatic, i.e., without shielding-related meshing constraints for the user. This formulation of Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES) mode 2 (2020) initially based on the Spalart–Allmaras RANS model relies on local flow quantities providing a RANS shielding identified as a critical limitation of most popular RANS/LES models. The flow sensors are adapted for the SST context and calibrated on RANS boundary-layer-equation solutions over a wide Reynolds-number and pressure-gradient range approaching flow separation and on full Navier–Stokes RANS solutions with separations. The Reynolds-invariant protection includes the outer part of the boundary layer profile, crucial in adverse pressure gradients but ignored by older protection functions such as f_d of Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) (2006). The shielding resistance to infinite mesh refinement is demonstrated in a flat-plate boundary layer. A second test case involving a backward-facing step shows that the enhanced protection has no detrimental impact on the quick RANS/LES switching thanks to the efficient detection of separation and reinforced destruction of eddy viscosity in gray areas. This indicates that the proposed ZDES mode 2 (2020) Menter SST k–ω achieves safe and automatic RANS shielding of attached boundary layers and efficient RANS/LES switching in massive flow separations, paving the way for its application.
Une stratégie hybride Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) / Large Eddy Simulation (LES) robuste est proposée pour un traitement des couches limites turbulentes attachées à l'aide du modèle RANS Menter Shear Stress Transport (SST) k−ω indépendamment de la densité du maillage et du gradient de pression et pour une transition RANS/LES rapide après le décollement, le tout de manière automatique, i.e. sans contraintes de maillage pour l'utilisateur. Cette formulation de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES) mode 2 (2020) initialement basée sur le modèle RANS de Spalart-Allmaras repose sur des quantités locales de l'écoulement et procure une protection RANS identifiée comme une limitation critique de la plupart des modèles RANS/LES populaires. Les senseurs de l'écoulement sont adaptés au contexte SST et calibrés sur des solutions RANS des équations de couche limite sur une large étendue de nombres de Reynolds et de gradients de pression approchant le décollement de l'écoulement ainsi que sur des solutions RANS des équations de Navier-Stokes complètes avec des décollements. La protection, invariante avec le nombre de Reynolds, inclut la zone extérieure du profil de couche limite, cruciale en gradient de pression adverse mais ignorée par les fonctions de protection antérieures telles f_d de la Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) (2006). La résistance de la protection à un raffinement infini du maillage est démontrée sur une couche limite de plaque plane. Un second cas test mettant un jeu une marche descendante montre que la protection renforcée n'a pas d'impact négatif sur la rapidité de transition RANS/LES grâce à la détection efficace du décollement et à la destruction renforcée de la viscosité turbulente dans les zones grises. Cela indique que la ZDES mode 2 (2020) Menter SST k−ω proposée permet une protection RANS des couches limites attachées sûre et automatique et une transition RANS/LES efficace dans les décollements massifs de l'écoulement, ouvrant la voie à son application.