Contribution à l'étude des interactions fluide-structure pour l'analyse de l'impact hydrodynamique d'un système de flottabilité d'hélicoptère PDF Download
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Author: Nicolas Malleron
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Book Description
Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur l'étude du phénomène d'impact hydrodynamique et sa modélisation. Une revue bibliographique des modèles pouvant être utilisés pour rendre compte de ce phénomène est proposée. Un modèle, dit modèle de Wagner généralisé, est ensuite développé. Proposé originellement par Zhao et Faltinsen en 1996 pour traiter de l'impact de formes 2D symétriques, il est ici étendu à des formes asymétriques et analysé de manière approfondie. Ce modèle est ensuite utilisé dans une approche couplée, pour rendre compte du comportement élastique de structures simples, se déformant au cours de l'impact. Enfin, les résultats de deux campagnes expérimentales sont présentés. La première campagne porte sur l'étude de l'impact d'une sphère élastique de taille réduite. La seconde traite de l'impact sur l'eau d'un système de flottabilité réel d'hélicoptère. Dans les deux cas, des modèles numériques sont utilisés pour tenter de reproduire au mieux l'évolution de chacun des systèmes.
Author: Nicolas Malleron
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Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur l'étude du phénomène d'impact hydrodynamique et sa modélisation. Une revue bibliographique des modèles pouvant être utilisés pour rendre compte de ce phénomène est proposée. Un modèle, dit modèle de Wagner généralisé, est ensuite développé. Proposé originellement par Zhao et Faltinsen en 1996 pour traiter de l'impact de formes 2D symétriques, il est ici étendu à des formes asymétriques et analysé de manière approfondie. Ce modèle est ensuite utilisé dans une approche couplée, pour rendre compte du comportement élastique de structures simples, se déformant au cours de l'impact. Enfin, les résultats de deux campagnes expérimentales sont présentés. La première campagne porte sur l'étude de l'impact d'une sphère élastique de taille réduite. La seconde traite de l'impact sur l'eau d'un système de flottabilité réel d'hélicoptère. Dans les deux cas, des modèles numériques sont utilisés pour tenter de reproduire au mieux l'évolution de chacun des systèmes.
Author: Bundi Donguy
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Languages : fr
Pages : 158
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Cette thèse vise à développer un modèle numérique permettant la simulation tridimensionnelle de l'impact d'un corps, solide ou déformable, sur la surface d'un fluide. Une des applications de ce travail est l'étude du phénomène de tossage (slamming) : impact d'une zone de la carène d'un navire sur la surface de l'océan. La modélisation proposée repose sur une analyse de la théorie du potentiel. Lorsque la forme du corps est suffisamment "plate" au voisinage du point d'impact initial, la méthode des développements asymptotiques raccordés permet alors de définir une solution composite intégrant d'une part le comportement de l'écoulement global autour du corps, et d'autre part, celui au voisinage de l'intersection entre la surface et le corps, là ou se forme le jet. La méthode des Eléments Finis (MEF) est mise en oeuvre pour résoudre le problème fluide asymptotique bidimensionnel, et tridimensionnel. La résolution de l'équation de Laplace avec des conditions aux limites mixtes Neuman-Dirichlet est effectuée pour le potentiel des déplacements (détermination de la surface de contact) et pour le potentiel des vitesses (évaluation des pressions)...
Author: Tolotra Emerry Rajaomazava III
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Languages : fr
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Le travail engagé dans cette thèse porte sur l'étude numérique des Interactions Fluide-structure en hydrodynamique. Dans une première partie, une analyse détaillée des méthodes de couplage (schémas décalés) a été effectuée sur un cas académique. Il s'agit de la résolution de l'équation non-linéaire de Burgers dans un domaine mobile, dont I'interface mobile est représentée par un système de type masse ressort. Selon la discrétisation en temps et la linéarisation du problème couplé, on distingue quatre schémas de couplages différents : explicite, semi-implicite, implicite-externe et implicite-interne. Une étude comparative des performances en vitesse de convergence et en temps de calcul de ces schémas a été effectuée. Les performances varient suivant le schéma de couplage utilisé. Le schéma explicite permet un calcul rapide en comparaison des autres schémas. En revanche il n'assure pas la conservation de l'énergie mécanique à I'interface fluide-structure. D'où le problème de stabilité du schéma numérique. Ce problème ne se pose pas pour les algorithmes de couplage implicites, car dans ce cas la conservation de l'énergie à I'interface est assurée. Il s'agit en effet d'une condition de convergence du schéma implicite. Ce schéma requière plus de temps de calcul, mais il est nécessaire pour avoir plus de précision dans les résultats. Par ailleurs, I'analyse des déplacements de I'interface fluide-structure montre que l'écart entre la position de I'interface comme étant le bord mobile du fluide et la position de la structure, dépend principalement du schéma d'actualisation du maillage choisi.Dans une deuxième partie une extension de l'étude des algorithmes de couplage à un problème plus concret d'IFS est effectuée. Un hydrofoil en pilonnement et tangage est ainsi étudié. L'équation de la dynamique de I'hydrofoil est écrite en considérant un centre de rotation situé à une distance non nulle du centre de gravité.Ce qui rend l'équation non-linéaire et introduit un couplage des deux modes pilonnement et tangage) ainsi qu'un amortissement du tangage. La dynamique de I'hydrofoil est étudiée pour différentes configurations : en mouvement libre ou forcé, dans un fluide au repos ou en écoulement. On observe que le mouvement de I'hydrofoil est pseudo périodique amorti. L'évolution des charges hydrodynamiques suit également cette tendance et tend vers un point d'équilibre. L'étude vibratoire montre bien une modification des fréquences propres du système, qui varient suivant que le fluide est au repos ou en écoulement. Le problème est également couplé à l'équation de la position du centre de pression, qui dépend de la position de I'hydrofoil et de l'écoulement. Celle-ci présente une singularité lorsque la portance et la traînée s'annulent simultanément.Enfin Les équations prenant en compte la présence d'un fluide non-homogène à I'interface fluide-structure, du type des écoulements cavitants par poche stationnaire ou auto-oscillante, ont été développés. La méthode consiste à séparer les variables du fluide en écoulement autour d'un hydrofoil immobile d'une part et celles de l'écoulement généré par la vibration de I'hydrofoil d'autre part. Il en résulte un opérateur de masse ajoutée non symétrique en milieu non homogène et un opérateur d'amortissement ajouté dû au taux de variations de masse volumique à l'interface dans le cas auto-oscillant. L'ensemble se traduit par une modulation au cours du temps des fréquences propres et des amplitudes du système.
Author: Ghassan El Chahal
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Languages : fr
Pages : 138
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Les contraintes d’aménagement du territoire, associées à la nécessité de développement économique des sites touristiques et industriels côtiers poussent les industriels à proposer des structures flottantes de plus en plus ambitieuses. Ces structures flottantes sont conçues soit pour protéger des aménagements portuaires, lorsque la configuration des fonds marins ne permet l’usage de structures fixes, soit pour étendre les surfaces utiles en bordures des côtes. Les structures flottantes de protection des effets de la houle offrent de nombreux avantages par rapport aux structures fixes. Elles sont plus économiques à construire et facilement reconfigurables pour s’adapter aux évolutions des activités portuaires. La thèse que nous venons de présenter fait apparaître le manque de travaux dans le domaine de l’optimisation de la forme et de la topologie de digues flottantes. Quelques travaux se rapportent à l’optimisation des digues fixes, mais ne concernent pas l’optimisation de la forme et ou de topologie de ces structures et encore moins celle des structures flottantes. Le sujet de cette thèse concerne la modélisation et l’optimisation d’une digue flottante ; l’étude du mouvement de la digue et sa réponse à la houle, l’analyse du comportement hydrodynamique de la digue basé sur une analyse paramétrique, et finalement l’amélioration de sa conception et de ses performances en utilisant des techniques d’optimisation. L’objectif principal est de développer une optimisation de brise-lames flottants (forme et la topologie), afin de réduire le poids, ou de chercher une nouvelle forme, conformément aux contraintes physiques et mécaniques.C’est une problématique complexe, à caractère multidisciplinaire, mêlant des problèmes d’hydrodynamique, d’interaction fluide – structures, et dans une moindre mesure de mécanique des structures. Une procédure basée sur un modèle bidimensionsionnel a été développée pour former un outil général de conception. Il a pour but de déterminer les dimensions optimales d’une digue flottante capable de d’atténuer une houle avec une hauteur donnée. Dans cette première approche du problème, la digue est assimilée à une géométrie de section rectangulaire creuse. Les paramètres géométriques décrivant la section, la masse, l’angle des lignes d’ancrages, et la rigidité des ancrages sont pris en compte dans la formulation du problème d’optimisation. Nous avons commencé par aborder le problème en étudiant les modèles de propagation d’ondes de surface que sont les vagues et la houle pour formuler un problème d’optimisation de structures avec des conditions limites issues de l’interaction fluide – structures sans prendre en considération le mouvement de la structure. Dans cette étape nous avons pu proposer des formulations originales du problème d’optimisation de forme et de la topologie de digues flottantes. Deux idées originales ont été proposées pour mettre en œuvre cette optimisation. La première est basée sur l’utilisation d’un double maillage l’un plus grossier servant à l’optimisation de topologie, tandis qu’un second maillage plus fin est utilisé pour le calcul des contraintes mécaniques, celui-ci n’affectant pas la taille de problème d’optimisation. La seconde idée utilise une description géométrique avec un polygone dont le nombre de côtés varie et augmente au fur et à mesure des calculs d’optimisation. Cette méthode donne de très haut degré de flexibilité dans le processus d'optimisation car les coordonnées des points constituent les variables du problème conduisant à des formes sans aucune restriction. Afin d’évaluer les performances d’une digue flottante nous avons ensuite élaboré un modèle de comportement dynamique (Newmann 1994, 1997). Ce modèle prend en compte les effets de diffraction – radiation de la houle, le couplage fluide – structure grâce aux concepts de masses additionnelles et de coefficients d’amortissement spécifiques, et les conditions limites imposées par la géographie d’un port. Afin de rendre compte plus précisemment des effets du port, ce modèle prendre en compte les murs comme des éléments réfléchissant associés à un coefficient de réflexion spécifique. Cette particularité permet d’appliquer ce modèle à différents sites portuaires. Afin de déterminer le coefficient de transmission, une modéle analytique du comportement dynamique de la structure est développé en utilisant le modèle lagrangien. Les équations des mouvements sont résolues pour évaluer les réponses de la digue dans les trois degrés de liberté. A partir de ce modèle, une étude paramétrique nous a permis de mettre en évidence le domaine d’utilisation de ces digues flottantes amarrées et d’identifier l'influence des paramètres structuraux sur ses performances. Les résultats de l’analyse paramétrique montrent l’intérêt d’une optimisation de forme de la digue avec ce modèle de comportement dynamique, ils mettent en évidence que certaines valeurs des paramètres géométriques maximisent les performances de la digue. Cette analyse montrent aussi l’existence, de pics de résonance répétitifs et corrélés avec certains paramètres structurel. Cette particularité montre la nécessité d’envisager une modélisation tridimensionnelle pour vérifier la corrélation de ces pics de résonance avec ces paramètres structuraux. Finalement, en utilisant ce modèle dynamique nous avons formulé un problème d’optimisation de forme nous permettant de déterminer les dimensions optimales de la digue en fonction des performances (coefficient d’atténuation de la houle) à atteindre. En fait, il constitue un problème d'optimisation multidisciplinaire où, pour chaque itération du processus d’optimisation, un problème de mécanique des fluides couplé à un problème de dynamique du solide et un calcul de structure élastique sont résolus séparément puis assemblés pour former les contraintes du problèmes d’optimisation
Author: Guillaume Delay
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Languages : en
Pages : 173
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Ce travail de thèse porte sur l'étude d'un système d'interaction fluide-structure. Nous en traitons de nombreux aspects allant de sa modélisation jusqu'à l'étude de sa stabilisation et de sa simulation numérique. Le premier chapitre du manuscrit aborde la modélisation du système ainsi que l'existence de solutions fortes en temps petits. Le fluide est représenté par les équations de Navier-Stokes incompressibles. La structure est déformable et dépend d'un nombre fini de paramètres. Nous obtenons ses équations en appliquant un principe des travaux virtuels. Le système d'équations final est non linéaire. Nous prouvons l'existence locale d'une solution à ce système, dans un premier temps sur le système linéarisé autour de l'état nul. Puis, nous prouvons l'existence de solutions en temps petits au système non linéaire grâce à un argument de point fixe. Le deuxième chapitre traite de la stabilisation par feedback autour d'un état stationnaire non nul du système présenté dans le Chapitre 1. L'opérateur de feedback est déterminé à partir de l'analyse du problème linéarisé autour de l'état stationnaire et de la résolution d'une équation de Riccati. Le résultat de stabilisation portant sur le système non linéaire requiert des données petites et est obtenu par un argument de point fixe. Le troisième chapitre se concentre sur les aspects numériques de ce problème. La construction de l'opérateur de feedback correspond à la version discrétisée de celle proposée dans le Chapitre 2. Le système fluide-structure est simulé en utilisant une méthode de domaines fictifs.
Author: Antoine Ducoin (chercheur en hydrodynamique).)
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Languages : fr
Pages : 330
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Book Description
L'étude se place dans le contexte industriel de dimensionnement des structures navales telles que les safrans stabilisateurs et les hélices marines en collaboration avec un industriel du secteur naval. La thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique d’un hydrofoil en régime transitoire incluant la prise en compte du couplage fluide structure. Les nombres de Reynolds étudiés sont compris entre 750 000 et 1 500 000. Le régime transitoire est caractérisé ici par une montée-descente en incidence à vitesse de rotation variable (lente, moyenne et rapide). La double approche, expérimentale et numérique, permet une analyse fine des phénomènes rencontrés, et permet de donner des éléments de réponse sur la fiabilité des calculs pour la prédiction des chargements hydrodynamiques. Les essais en tunnel hydrodynamique portent sur la mesure de pression pariétale, de déplacements et de cavitation. Les calculs sont effectués d'une part avec le code volumes finis CFX pour résoudre l'écoulement, en utilisant des modèles hydrodynamiques adaptés à l'étude (Euler, visqueux, modèle de turbulence , modèle de transition ). D'autre part, le code éléments finis ANSYS permet de calculer la réponse structurelle de l'hydrofoil soumis au chargement hydrodynamique. Le couplage est pris en compte par échange de données physiques à l’interface fluide structure. L'étude de l'évolution spatio-temporelle du champ de pression pariétale autour de l’hydrofoil rigide en mouvement de rotation transitoire a tout d'abord été menée. La transition laminaire turbulent a été identifiée, résultant de la formation d’un bulbe de décollement laminaire. Pour les faibles vitesses de rotation, le passage de la transition au bord d'attaque a un impact important sur le chargement qui se traduit par une évolution en plateau autour de 5°. Pour les fortes vitesses de rotation, l’effet de la transition sur le chargement est réduit. On observe la disparition de l’évolution en plateau qui conduit à une valeur plus importante du chargement hydrodynamique au décrochage. Un fort phénomène d’hystérésis est constaté lors du retour à 0°. L’analyse expérimentale de la distribution spatio-temporelle des fluctuations de pression a permis d’associer des fluctuations de pression périodique à des lâchers tourbillonnaires derrière le bulbe de décollement laminaire. Pour les fortes vitesses de rotation, un retard de la transition est constaté tandis que les fréquences de lâchers tourbillonnaires et les grandeurs du bulbe sont constantes.Le couplage fluide structure est ensuite étudié sur des hydrofoils dits « déformables ». Une étude stationnaire a permis de relier le chargement hydrodynamique aux déformations de la structure qui, lorsqu'elle se vrille, induit une modification locale de l'incidence suivant l'envergure. Une étude en régime transitoire a montré que l’impact des régimes d'coulement est clairement visible sur les déplacements. De plus, le comportement structurel de l'hydrofoil a aussi été étudié en régime cavitant et montre un fort impact de la cavitation, que ce soit à incidence fixe ou en régime transitoire. D’importantes fluctuations structurelles et variations d’incidence ont été relevées qui peuvent induire un fort couplage entre l’hydrofoil et l’écoulement cavitant.
Author: Fabien Vergnet
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Languages : en
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Book Description
Le transport de micro-organismes et de fluides biologiques au moyen de cils et flagelles est un phénomène universel que l'on retrouve chez presque tous les êtres vivants. Le but de cette thèse est la modélisation, l'analyse mathématique et la simulation numérique de problèmes d'interaction fluide-structure qui font intervenir des structures actives, capables de se déformer d'elles-mêmes grâce à des contraintes internes, et un fluide à faible nombre de Reynolds, modélisé par les équations de Stokes. Le Chapitre 2 traite de la modélisation de ces structures actives en considérant la loi de Saint Venant-Kirchhoff dans les équations de l'élasticité et en ajoutant un terme d'activité au second tenseur de contraintes de Piola-Kirchhoff. Les équations fluide et structures sont couplées à l'interface fluide-structure et l'étude mathématique d'un problème linéarisé et discrétisé en temps est ensuite réalisée. Une reformulation sous forme d'un problème point-selle est proposée et utilisée pour la simulation numérique du problème. Le Chapitre 3 s'intéresse à l'analyse du problème d'interaction fluide-structure quasi-statique avec une structure active, pour lequel nous montrons l'existence et l'unicité, pour des données petites, d'une solution forte localement en temps. Le Chapitre 4 présente une nouvelle méthode de type domaine fictif (la méthode de prolongement régulier ) pour la résolution numérique de problèmes de transmission. La méthode est d'abord développée pour un problème de transmission de Laplace, puis étendue aux problèmes de transmission de Stokes et d'interaction fluide-structure.
Author: Antoine Monnier
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Languages : fr
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Book Description
Ce travail de thèse est une contribution à l'analyse de bifurcation des écoulements fluides avec prise en compte des interactions fluide-structure. Les phénomènes d'instabilité en interaction fluide-structure apparaissent dans de nombreux domaines de la vie courante ou industriels comme, par exemple : le flottement d'un drapeau dans le vent ou bien l'écoulement au sein d'échangeurs thermiques sur les sites de production d'énergie, l'écoulement autour des câbles sous-marins pour l'extraction de matières premières ou la fixation des plateformes off-shore, l'écoulement autour des structures aéronautiques ou navales. Dans ces situations, un phénomène complexe de vibration des structures induite par vortex peut se produire. L'objectif de la thèse est de proposer un algorithme permettant l'analyse de stabilité de tels systèmes. Ainsi, le couplage original d'une méthode de perturbation d'ordre élevé (Méthode Asymptotique Numérique - MAN) à une discrétisation spatiale permettant la prise en compte des interactions fluide-structure est proposée. À cet effet, une description purement eulérienne du mouvement est retenue. L'interaction fluide- structure est décrite au moyen d'une méthode de frontières immergées (MFI) à forçage continu (méthode de pénalisation) et discret (méthode Ghost-Cell). La présence d'obstacles au sein de l'écoulement est obtenue au moyen de la méthode de Level-Set. En complément, un intégrateur temporel des équations du mouvement associant la MAN, la MFI et une technique d'homotopie est proposé. L'ensemble de ces algorithmes est appliqué à des problèmes d'écoulement incompressible, à faible nombre de Reynolds, d'un fluide visqueux newtonien en présence d'obstacles solides rigides (fixes ou mobiles). L'analyse de stabilité d'un écoulement dans une conduite avec expansion/contraction soudaine (bifurcation stationnaire), et autour d'un cylindre (bifurcation de Hopf) est traitée. L'analyse transitoire d'un écoulement autour d'un cylindre rigide et mobile est également proposée. Les résultats obtenus permettent d'évaluer la précision et la performance des algorithmes proposés. Ainsi, les résultats de cette thèse permettent de conclure sur le bien-fondé de l'approche et constituent une première étape vers l'analyse de stabilité d'écoulements en présence de structures complexes, représentatifs de situations réelles.
Author: Abdelkhalak El Hami
Publisher: ISTE Group
ISBN: 1784052809
Category : Fluid-structure interaction
Languages : fr
Pages : 269
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Book Description
La série Fiabilité des systèmes multiphysiques s’intéresse aux avancées de la recherche et de l’industrie appliquées aux domaines de l’optimisation, de la fiabilité et de la prise en compte des incertitudes des systèmes. Ce couplage est à la base de la compétitivité des entreprises dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique, du génie civil ou de la défense. L’« interaction fluide-structure » regroupe l'étude de tous les phénomènes présentant le couplage du mouvement d'une structure avec celui d'un fluide. La gamme des phénomènes étudiés est très étendue, allant de l'étude de cylindres ou structures vibrants dans des écoulements à des phénomènes de surface libre dans des réservoirs. Cet ouvrage présente les différents aspects de l’interaction fluidestructure (vibroacoustique et aérodynamique) ainsi que les différentes méthodes utilisées afin de réaliser des simulations numériques. S’appuyant sur deux logiciels, Ansys pour le calcul des structures et Fluent pour le calcul des fluides, il traite de la réduction du modèle couplé fluide-structure et de ses incertitudes, ainsi que de l’aspect optimisation couplée à la fiabilité (RBDO). Accompagné d’exemples détaillés, Interactions fluide-structure et incertitudes présente les outils récents de conception les plus performants. Il s’adresse aux étudiants et élèves ingénieurs et constitue un support précieux pour les ingénieurs en activité et les enseignantschercheurs.
Author: Jean-François Sigrist
Publisher: Ellipses Marketing
ISBN: 9782729870829
Category :
Languages : fr
Pages : 201
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Book Description
L'ouvrage présente les méthodes d'éléments finis pour l'analyse vibratoire de systèmes mécaniques avec prise en compte des interactions fluide/structure. Il rappelle les bases mathématiques de modélisation de ces problèmes dans l'hypothèse de fluide stagnant et il expose les principes de discrétisation éléments finis. Il détaille en particulier les différentes formulations couplées, lesquelles peuvent prendre en compte les effets de compressibilité et de gravité dans le comportement du fluide. Les notions spécifiques à l'analyse vibratoire des systèmes sont revisitées dans ce contexte. Le livre est constitué de cinq chapitres. Après une introduction générale à la problématique de l'interaction fluide/structure (chapitre I), les méthodes éléments finis structure et fluide sont détaillées séparément (chapitres II et III), avant de s'intéresser au couplage d'éléments finis (chapitre IV) et aux méthodes d'analyse vibratoire de systèmes couplés (chapitre V). De nombreux exemples d'application permettent le développement de solutions analytiques qui sont confrontées aux résultats du calcul numérique par éléments finis. Adoptant un point de vue à la fois théorique et pratique, le propos d'ensemble est résolument pédagogique. L'ouvrage constitue ainsi une base solide d'appropriation des méthodes éléments finis en interaction fluide/structure.
