Contribution au développement d'algorithmes de couplage en interaction fluide-structure

par Mustapha Benaouicha

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Aziz Hamdouni.

Soutenue en 2007

à La Rochelle .


  • Résumé

    Ce mémoire est une contribution aux études de problèmes d'Interaction Fluide-Structure (IFS). Le code Castem est utilisé afin de créer un outil numérique libre et accessible pour traiter, dans sa globalité, le problème de modélisation d'un barrage ou réservoir souple flottant. Dans un premier temps, nous avons effectué la validation de Castem en absence de couplage fluide-structure. Nous avons considéré une discrétisation spatiale en éléments finis des équations de Navier-Stokes adimensionnelles, le schéma d'Euler implicite pour la discrétisation en temps et la méthode de projection pour le couplage vitesse-pression. La validation s'est portée sur des cas d'écoulement laminaire autour d'un cylindre de section circulaire et carrée. Les résultats obtenus (nombre de Strouhal, coefficients de traînée et de portance, …) sont très proches des résultats expérimentaux ou issus d'autres calculs numériques réalisés avec d'autres codes de calcul. Ensuite, nous avons procédé à la mise en œuvre des algorithmes de couplage Fluide-Structure sur plusieurs configurations, en laissant les mêmes caractéristiques des schémas de discrétisation des équations du fluide que précédemment. Dans ce cas, on utilise la formulation ALE pour les équations du fluide. Nous avons étudié les oscillations, forcées et libres, d'un cylindre dans un domaine fluide annulaire, en considérant les cas d'un fluide parfait puis d'un fluide visqueux. Dans le cas des oscillations forcées où le mouvement harmonique du cylindre est imposé, les résultats obtenus (coefficient de masse ajoutée, efforts fluides sur le cylindre, …) comparés aux résultas données par les modèles de Fritz, dans le cas d'un fluide non visqueux, et Sinyavaski ou Chen, dans le cas d'un fluide visqueux, sont assez précis. Dans le cas des oscillations libres où le mouvement du cylindre est déterminé par l'action couplée fluide-solide, nous avons constaté que l'algorithme de couplage implicite est celui qui prédit le mieux les oscillations de la structure. Nous étions néanmoins contraint d'introduire des sous-pas de temps pour le solide afin d'obtenir de meilleurs résultats. Le code développé dans Castem, a été aussi testé avec succès pour prédire les phénomènes liés au cas d'un cylindre en oscillations dans un écoulement laminaire incompressible (accrochage fréquentiel, modes d'émission de tourbillons, …). Pour l'application, une configuration proche de l'objectif initial de la thèse, qui est la modélisation des barrages flottants et réservoirs souples, a été traitée. L'objet de cette application est l'étude du déplacement d'un anneau complètement immergé dans un fluide en écoulement laminaire et amarré par un câble à la paroi inférieure du domaine fluide. Enfin, une introduction à une méthode de réduction de modèle en Interaction Fluide-Structure, la POD, est présentée. Il s'agit d'une méthode déjà utilisée en mécanique des fluides et en mécanique des structures mais en stade de développement en IFS. Elle a été appliquée à certaines configurations étudiées précédemment et les résultats obtenus sont prometteurs.

  • Titre traduit

    Contribution to the development of coupling algorithms for flui-structure interaction problems


  • Résumé

    The main of this thesis is a contribution to the Fluid-Structure Interaction problems studies. The Castem code is used in order to create a free and accessible numerical tool to treat from its every angle , the problem of modeling of a floating barrage or flexible tank. Initially, we made the validation of Castem in absence of fluid-structure coupling. We considered a finite elements space discretization of the adimensional Navier-Stokes equations, the implicit Euler scheme for the time discretization and the projection method for the velocity-pressure coupling. The validation concerns the laminar flow around a cylinder of circular and square section cases. The obtained results (Strouhal number, leaft and drag coeffecients,. . . ) are very close to the experimental results or those coming from other numerical codes. Then, we proceeded to the implementation of the Fluid-Structure coupling algorithms on many configurations. The same characteristics, as previously, of the fluid equations discretization schemes are conserved. In this case, the ALE formulation of the fluid equations is used. We studied the forced and free oscillations, of a cylinder in an annular fluid domain, by considering the viscous and nonviscous fluid cases. In the forced oscillations case where the harmonic movement of the cylinder is imposed, the obtained results (added mass coefficient, fluid efforts on the cylinder,. . . ) compared with the resultes obtained from the Fritz model, in the nonviscous fluid case, and Sinyavaski or Chen models, in the viscous fluid case, is rather precise. In the free oscillations case of the cylinder, where its movement is determined by the coupled action fluid-solid, we noted that the implicit coupling algorithm is that which predicts the best oscillations of the structure. We were nevertheless constrained to introduce time under-steping for the solid in order to obtain better results. The code developed in Castem, was also successfully tested to predict the phenomena related to a laminar incompressible fluid flow across a cylinder in oscillation case (occurrence of lock on, emission modes of swirls,. . . ). A treated application is a configuration close to the initial objective of the thesis, which is the modeling of the floating barrage or flexible tank. The main of this application is to study of the displacement of a completely immersed ring in a laminar fluid flow and moored by a cable to the lower boundary of the fluid domaine. Finally, an introduction to a model reduction method applied to the Fluid-Structure Interaction problems, the POD method, is presented. It concerns a method already used in fluid mechanics and structure mechanics but in development stage in FSI. It was applied to some previously studied configurations and promising results are obtained.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (176 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 175-176

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