Etude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure PDF Download
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Author: Antoine Ducoin (chercheur en hydrodynamique).)
Publisher:
ISBN:
Category :
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: 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: Nicolas Aquelet
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Languages : en
Pages : 180
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Book Description
Cette thèse présente un modèle numérique de couplage fluide-structure pour des impacts hydrodynamiques.Ce travail de recherche s'est déroulé dans le cadre d'une collaboration avec la société Principia Marine, un bureau d'études en construction navale. L'enjeu industriel à terme est de modéliser le choc d'une vague contre une coque de navire. Dans une mer agitée ou pour une vitesse de progression importante, les impacts répétés de vagues contre la coque peuvent endommager la structure (ce phénomène est appelé "slamming" ou "tossage"). D'autres types d'impacts hydrodynamiques peuvent toutefois être évoqués comme le ballotement d'un liquide dans un réservoir à moitié rempli: pour de fortes accélérations du réservoir, le liquide peut venir, par vagues successives, frapper violemment la paroi interne du réservoir. Pour modéliser la structure et le fluide, deux approches différentes sont employées. La structure est modélisée par une formulation Lagrangienne en éléments finis. Le problème fluide est résolu par une formulation Eulérienne multi-matérielle basée sur une méthode split décomposant le pas de calcul en un cycle Lagrangien et un cycle d'advection projetant la solution Lagrangienne sur la configuration initiale. La principale problématique est de transmettre correctement les efforts d'interaction entre ces deux formulations. La méthode mise en oeuvre est un couplage par pénalisation. Un effet dissipatif est introduit dans la méthode pour amortir les oscillations numériques de fortes fréquences et une base de données pour la raideur de pénalisation est établie Pour les modélisations 3D coûteuses, une version parallèle de la formulation est décrite à travers la construction d'un cluster de processeurs et d'un algorithme d'initialisation des fractions volumiques.
Author: Martine Vullierme-Ledard
Publisher:
ISBN: 9782722507920
Category : Fluid dynamics
Languages : en
Pages : 262
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ETUDE DE FREQUENCES PROPRES ET DES FREQUENCES DE DIFFUSION D'ONDE POUR LE MOUVEMENT SUR LA HOULE ET POUR DES MOUVEMENT COUPLES D'UN SOLIDE ELASTIQUE ET D'UN FLUIDE INCOMPRESSIBLE A SURFACE LIBRE. THEORIE DE LA DIFFUSION D'ONDE POUR LE PROBLEME LINEARISE DES MOUVEMENTS D'UN FLUIDE DANS UN OCEAN INFINIMENT PROFOND, EN PRESENCE D'UN OBSTACLE RIGIDE ET FIXE. DEMONSTRATION DU PRINCIPE D'AMPLITUDE LIMITE POUR LE PROBLEME D'HYDRODYNAMIQUE NAVALE A L'EXTERIEUR D'UN OBSTACLE FIXE ET POUR LE COUPLAGE ENTRE UN SOLIDE ELASTIQUE ET UN FLUIDE DE COMPRESSIBLE INFINI
Author: Grégory Haboussa
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 220
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Ce travail vise à améliorer la capacité de prédiction des comportements dynamiques transitoires des solides et des structures lors de sollicitations de type crash, spécifiquement lorsqu’un milieu fluide doit être pris en compte. La première étape a consisté à mesurer une observable expérimentale, caractéristique de l’impact hydrodynamique : l’évolution du chargement en pression sur la paroi de la structure. Pour aboutir à cela, une base expérimentale antérieure d’impact de goutte d’eau sur capteur de pression a été exploitée. La pression de paroi est obtenue en déterminant une fonction de transfert soustrayant l’influence dynamique du capteur sur la mesure par étalonnage dynamique au tube à choc, puis en l’appliquant à ces essais. Une observable expérimentale pertinente relative à l’impact d’une goutte d’eau sur une structure plane étant obtenue, un nouveau cas de validation des méthodes numériques est alors défini. Les performances de plusieurs méthodes numériques sont alors évaluées, en s’intéressant aux profils de pression pariétale obtenus. Ces simulations reposent sur différentes formulations et différentes modélisations de l’interface (continue ou non). La méthode naturelle couplage Éléments Finis -Lagrange Euler associée apporte les résultats les plus convaincants. L’emploi de cette méthode naturelle apparaît finalement comme référence numérique en impact hydrodynamique : aucun paramètre autre que physique n’étant introduit dans le code. En conclusion, la possibilité est bien offerte aujourd’hui de faire avec l’ALE, sous réserve d’un emploi pertinent, des campagnes d’expérience numérique en calcul de structure avec impacts hydrodynamiques
Author: Bundi Donguy
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ISBN:
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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: Jean-Michel Hervouet
Publisher: Presses Ponts et Chaussées
ISBN: 9782859783792
Category :
Languages : fr
Pages : 311
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Les systèmes hydro-informatiques, tels que le système Telemac développé par la branche R&D d'électricité de France, sont devenus en mécanique des fluides à surface libre, et donc principalement pour des études liées à l'environnement, des outils privilégiés et indispensables de la recherche et de l'ingénierie, utilisés aussi bien pour les études d'impact et le dimensionnement des ouvrages que pour le calcul des marées et la simulation des crues. Les principes de la modélisation numérique qui sous-tendent ces nouveaux outils sont rassemblés dans cet ouvrage, depuis l'établissement des équations de base et de leurs formes simplifiées, jusqu'au détail de la révolution numérique, ici avec la méthode des élements finis, sons oublier l'optimisation tenant compte des architectures des ordinateurs et le problème de l'identification des données ou paramètres inconnus. Quelques exemples d'application, comme la rupture du barrage de Malpasset ou le calcul des marées dans la Manche, sont également présentées. L'étudiant, l'ingénieur et le chercheur trouveront ici, avec une unité de lieu et de notation, l'exposé cohérent de tous les raisonnements et hypothèses qui permettent la construction de ces outils modernes d'analyse et de prévision que sont les logiciels de simulation numérique, et dont l'apport en mécanique des fluides dans le domaine de l'environnement devient chaque jour plus indispensable.
Author: Vincent Melot
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Category :
Languages : fr
Pages : 171
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Book Description
Ce travail présente une étude analytique, numérique et expérimentale de l’hydrodynamique cylindre soumis à un choc sinus. L’étude analytique consiste à développer un modèle général permettant de prédire les forces et la répartition de pressions sur le cylindre soumis à un mouvement transitoire quelconque dans un fluide visqueux bidimensionel. La simulation numérique s’attache à la modélisation en maillage mobile d’un cylindre évoluant dans un domaine fluide infini bidimensionel sous le code généraliste STAR-CD. Un dispositif expérimental avec la chaîne de mesure associée est conçu permettant d’imposer différents types de mouvements (choc sinus, mouvement oscillatoire entretenu) à un cylindre baignant dans un bassin. Ces trois approches complémentaires montrent que l’écoulement est régi par deux nombres adimensionnels : le nombre de Stokes, ß, et le nombre de Keulegan-Carpenter, KC. ß mesure le rapport entre le temps de diffusion visqueuse et le temps caractéristique du choc et KC le rapport entre le déplacement maximum du corps et son diamètre. Dans le cas où ß est très grand (fluide parfait), la force sur le cylindre est régie par l’effet inertiel quelque soit KC. A petit KC, la pression est contrôlée uniquement par l’effet inertiel alors que pour des grands KC, un effet d’advection vient s’ajouter.A ß modéré et pour des petites valeurs de KC, la force et la pression subissent trois effets : un effet d’inertie, d’histoires et de traînée. Pour des grandes valeurs de KC, l’écoulement devient plus riche : des zones dynamiques de vorticité apparaissent. Elles induisent de fortes fluctuations locales de pression sans modifier la force totale.lCe travail se termine par l’étude d’un cas d’interaction fluide-structure où les outils de prédiction et de simulation développés précédemment sont mis en oeuvre. Les phénomènes d’inertie, de trainée et les effets d’histoire apparaissent simultanément et sont couplés avec le mouvement du cylindre.
Author: Alban Leroyer
Publisher:
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Category :
Languages : fr
Pages : 328
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Book Description
On s'intéresse dans ce travail de thèse à l'ajout de deux phénomènes physiques qui se couplent à la résolution des équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds. Le premier concerne les mouvements de corps solides ou déformables à déformation imposée. Les différentes méthodes numériques spécifiques pour mener à bien de telles simulations sont exposées : résolution du Principe Fondamental de la Dynamique, stratégies de remaillage, couplage écoulement/mouvement, discrétisation des équations,... Plusieurs applications sont ensuite présentées, principalement dans le domaine hydrodynamique (tenue à la mer, impact sur une surface libre, écoulement autour d'une palette d'aviron). Une application plus orientée vers la biohydrodynamique, intégrée au Projet Interdisciplinaire de Recherche ROBEA, montre une étude mettant en jeu un corps déformable. Ainsi, les premiers calculs tridimensionnels recensés couplant la résolution du Principe Fondamental de la Dynamique avec celle des équations de Navier-Stokes sur un robot-anguille auto-propulsé sont décrits dans ce mémoire. Le second apport en terme de nouveaux phénomènes physiques concerne la modélisation numérique de la cavitation. Cette extension des écoulements multi-phases a consisté à intégrer un modèle de production-destruction de vapeur sans recourir à de lourdes modifications dans le solveur Navier-Stokes. Les premiers résultats ainsi que les dificultés numériques de résolution sont exposés. Pour s'affranchir de ces problèmes numériques, une nouvelle formulation offrant un couplage plus fort entre les différentes variables est finalement proposée
Author: Sobhi Frikha
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Category :
Languages : fr
Pages : 185
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Book Description
Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre des travaux de recherche appliquée qui ont lieu au Laboratoire de Mécanique de Lille et à l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale dans le domaine respectif des machines tournantes de type turbomachines ou celui des hélices marines et appendices de type surfaces portantes équipant les navires (stabilisateurs, safrans,...). L'objectif principal de la thèse est d'étudier les instabilités de cavitation. Pour cela, des simulations numériques associant des modèles de cavitation déjà existants sont mises en oeuvre et une comparaison de ces modèles est effectuée. On s'intéresse particulièrement aux modèles de cavitation homogènes pour lesquels le mélange liquide/vapeur est considéré comme un fluide unique à densité variable. Le transfert de masses entre les deux phases est contrôlé soit par une loi d'état barotrope qui relie la densité à la pression soit par une équation de transport de taux de vide avec des termes sources appropriées. En parallèle, des mesures expérimentales basées sur la mesure de pression pariétale et d'acquisition vidéo sont menées dans le Tunnel de cavitation de l'Ecole Navale. Cette étude expérimentale est complétée par l'étude menée par O. Coutier-Delgosha à l'Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées à Paris et qui a permis d'obtenir les profils de taux de vide instantanés par des mesures Rayon X. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés par des techniques de traitement du signal originales.
Author: Dodji Léagnon Tokpavi
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ISBN:
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Languages : fr
Pages : 166
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Book Description
Ce travail de thèse aborde l'hydrodynamique régissant un grand nombre d'applications industrielles mettant en œuvre des fluides à seuil de contrainte. Il s'intéresse plus particulièrement à l'étude du problème de base de la mécanique des fluides que constitue l'écoulement d'un fluide autour d'obstacles cylindriques. Dans un premier temps, le domaine des grands nombres d'Oldroyd, peu abordé dans la littérature, a été examiné en s'intéressant plus particulièrement aux aspects cinématiques et dynamiques. Les effets d'inertie sont négligés. Le cas d'un seul obstacle cylindrique et celui de deux obstacles cylindriques en interaction ont été étudiés numériquement. Les résultats concernant les zones rigides, la stabilité, la couche limite viscoplastique ont été présentés en fonction du nombre d'Oldroyd. Expérimentalement, le cas du cylindre seul a été examiné par la mesure de la traînée et la caractérisation des champs de vitesses par vélocimétrie par image de particules. Le fluide à seuil de contrainte utilisé a été l'objet d'une caractérisation rhéométrique approfondie. Les résultats expérimentaux ont permis de comparer les effets de la nature élastoviscoplastique du gel utilisé aux résultats obtenus avec des lois viscoplastiques existantes. Dans un second temps, les effets d'inertie ont été pris en compte. Une étude expérimentale a été menée sur l'écoulement autour d'un obstacle cylindrique plongé dans une cuve tournante. Cette étude, complétée par une simulation numérique, a permis d'identifier l'influence de la plasticité, de la rhéofluidification et de l'élasticité sur le sillage derrière un obstacle cylindrique dans un fluide à seuil de contrainte. La zone de recirculation présente dans le régime laminaire stable et la transition entre ce régime et le régime laminaire avec détachement de tourbillons ont été spécialement examinées.
