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Theses Year : 2015

Quantification of modelling uncertainties in turbulent flow simulations

Quantification des incertitudes de modélisation dans les écoulements turbulents

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Abstract

The goal of this thesis is to make predictive simulations with Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models, i.e. simulations with a systematic treatment of model and data uncertainties and their propagation through a computational model to produce predictions of quantities of interest with quantified uncertainty. To do so, we make use of the robust Bayesian statistical framework.The first step toward our goal concerned obtaining estimates for the error in RANS simulations based on the Launder-Sharma k-e turbulence closure model, for a limited class of flows. In particular we searched for estimates grounded in uncertainties in the space of model closure coefficients, for wall-bounded flows at a variety of favourable and adverse pressure gradients. In order to estimate the spread of closure coefficients which reproduces these flows accurately, we performed 13 separate Bayesian calibrations. Each calibration was at a different pressure gradient, using measured boundary-layer velocity profiles, and a statistical model containing a multiplicative model inadequacy term in the solution space. The results are 13 joint posterior distributions over coefficients and hyper-parameters. To summarize this information we compute Highest Posterior-Density (HPD) intervals, and subsequently represent the total solution uncertainty with a probability box (p-box). This p-box represents both parameter variability across flows, and epistemic uncertainty within each calibration. A prediction of a new boundary-layer flow is made with uncertainty bars generated from this uncertainty information, and the resulting error estimate is shown to be consistent with measurement data.However, although consistent with the data, the obtained error estimates were very large. This is due to the fact that a p-box constitutes a unweighted prediction. To improve upon this, we developed another approach still based on variability in model closure coefficients across multiple flow scenarios, but also across multiple closure models. The variability is again estimated using Bayesian calibration against experimental data for each scenario, but now Bayesian Model-Scenario Averaging (BMSA) is used to collate the resulting posteriors in an unmeasured (prediction) scenario. Unlike the p-boxes, this is a weighted approach involving turbulence model probabilities which are determined from the calibration data. The methodology was applied to the class of turbulent boundary-layers subject to various pressure gradients. For all considered prediction scenarios the standard-deviation of the stochastic estimate is consistent with the measurement ground truth.The BMSA approach results in reasonable error bars, which can also be decomposed into separate contributions. However, to apply it to more complex topologies outside the class of boundary-layer flows, surrogate modelling techniques must be applied. The Simplex-Stochastic Collocation (SSC) method is a robust surrogate modelling technique used to propagate uncertain input distributions through a computer code. However, its use of the Delaunay triangulation can become prohibitively expensive for problems with dimensions higher than 5. We therefore investigated means to improve upon this bad scalability. In order to do so, we first proposed an alternative interpolation stencil technique based upon the Set-Covering problem, which resulted in a significant speed up when sampling the full-dimensional stochastic space. Secondly, we integrated the SSC method into the High-Dimensional Model-Reduction framework in order to avoid sampling high-dimensional spaces all together.Finally, with the use of our efficient surrogate modelling technique, we applied the BMSA framework to the transonic flow over an airfoil. With this we are able to make predictive simulations of computationally expensive flow problems with quantified uncertainty due to various imperfections in the turbulence models.
Le but de cette thèse est de faire des simulations prédictives à partir de modèles de turbulence de type RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Ces simulations font l'objet d'un traitement systématique du modèle, de son incertitude et de leur propagation par le biais d'un modèle de calcul prédictif aux incertitudes quantifiées. Pour faire cela, nous utilisons le cadre robuste de la statistique Bayesienne.La première étape vers ce but a été d'obtenir une estimation de l'erreur de simulations RANS basées sur le modèle de turbulence de Launder-Sharma k-e. Nous avons recherché en particulier à estimer des incertitudes pour les coefficients du modele, pour des écoulements de parois en gradients favorable et défavorable. Dans le but d'estimer la propagation des coefficients qui reproduisent le plus précisemment ces types d'écoulements, nous avons étudié 13 configurations différentes de calibrations Bayesienne. Chaque calibration était associée à un gradient de pression spécifique gràce à un modèle statistique. Nous representont la totalite des incertitudes dans la solution avec une boite-probabilite (p-box). Cette boîte-p représente aussi bien les paramètres de variabilité de l'écoulement que les incertitudes epistemiques de chaque calibration. L'estimation d'un nouvel écoulement de couche-limite est faite pour des valeurs d'incertitudes générées par cette information sur l'incertitude elle-même. L'erreur d'incertitude qui en résulte est consistante avec les mesures expérimentales.Cependant, malgré l'accord avec les mesures, l'erreur obtenue était encore trop large. Ceci est dû au fait que la boite-p est une prédiction non pondérée. Pour améliorer cela, nous avons développé une autre approche qui repose également sur la variabilité des coefficients de fermeture du modèle, au travers de multiples scénarios d'écoulements et de multiples modèles de fermeture. La variabilité est là encore estimée par le recours à la calibration Bayesienne et confrontée aux mesures expérimentales de chaque scénario. Cependant, un scénario-modèle Bayesien moyen (BMSA) est ici utilisé pour faire correspondre les distributions a posteriori à un scénario (prédictif) non mesuré. Contrairement aux boîtes-p, cette approche est une approche pondérée faisant appel aux probabilités des modèles de turbulence, déterminée par les données de calibration. Pour tous les scénarios de prédiction considérés, la déviation standard de l'estimation stochastique est consistante avec les mesures effectuées.Les résultats de l'approche BMSA expriment des barres d'erreur raisonnables. Cependant, afin de l'appliquer à des topologies plus complexes et au-delà de la classe des écoulements de couche-limite, des techniques de modeles de substitution doivent être mises en places. La méthode de la collocation Stochastique-Simplex (SSC) est une de ces techniques et est particulièrement robuste pour la propagation de distributions d'entrée incertaines dans un code de calcul. Néanmois, son utilisation de la triangulation Delaunay peut entrainer un problème de coût prohibitif pour les cas à plus de 5 dimensions. Nous avons donc étudié des moyens pour améliorer cette faible scalabilité. En premier lieu, c'est dans ce but que nous avons en premier proposé une technique alternative d'interpolation basée sur le probleme 'Set-Covering'. Deuxièmement, nous avons intégré la méthode SSC au cadre du modèle de réduction à haute dimension (HDMR) dans le but d'éviter de considérer tous les espaces de haute dimension en même temps.Finalement, avec l'utilisation de notre technique de modelisation de substitution (surrogate modelling technique), nous avons appliqué le cadre BMSA à un écoulement transsonique autour d'un profil d'aile. Avec cet outil nous sommes maintenant capable de faire des simulations prédictives d'écoulements auparavant trop coûteux et offrant des incertitudes quantifiées selon les imperfections des différents modèles de turbulence.
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tel-01555595 , version 1 (04-07-2017)

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Cite

Wouter Nico Edeling. Quantification of modelling uncertainties in turbulent flow simulations. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM; Technische universiteit (Delft, Pays-Bas), 2015. English. ⟨NNT : 2015ENAM0007⟩. ⟨tel-01555595⟩
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