Étude du ballottement de fluide dans les réservoirs à carburant : approches numérique et expérimentale

par Anaïs Brandely

Thèse de doctorat en Mécanique Avancée

Sous la direction de Emmanuel Lefrançois.

Soutenue le 26-05-2016

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .


  • Résumé

    L’émergence de bruits auparavant inaudibles dans les réservoirs à carburants automobiles requiert des constructeurs une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenants au sein de leurs produits. Dans cette thèse, différents travaux ont été conduits autour de l’étude du ballottement de fluide dans une cuve rigide rectangulaire partiellement remplie de fluide et soumise à une excitation extérieure. La première partie présente un état de l’art sur le sloshing suivant trois approches complémentaires - approche analytique, approche numérique et approche expérimentale - permettant d’orienter les travaux. Dans une deuxième partie, une étude préliminaire sur le sloshing dans une cuve rectangulaire soumise à une excitation harmonique forcée est réalisée. La confrontation des résultats numériques entre une approche linéaire - basée sur la théorie d’écoulement potentiel tenant compte de la viscosité du fluide [Schotté et Ohayon, 2013] - et une approche non linéaire commerciale – basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes - permet de définir un paramètre de linéarité. Ce dernier permet de déterminer les cas de sloshing qui nécessitent une résolution non linéaire et ceux pour lesquels la théorie linéaire suffit pour prédire le phénomène. La troisième partie de ce document présente une étude expérimentale du ballottement de fluide dans une cuve rectangulaire rigide soumise à un freinage automobile. Deux niveaux de remplissage créant deux types d’impacts contre les parois (avec et sans enfermement de poche d’air) ont été analysés. Les essais menés ont permis de mesurer les forces engendrées par le mouvement du fluide, les pressions d’impact en paroi ainsi que le champ de vitesse par méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Ce chapitre constitue une importante base de données expérimentales ayant permis d’étudier précisément le phénomène physique. L’étude est complétée par une confrontation des résultats expérimentaux avec des résultats Computational Fluid Dynamics (CFD). Enfin, pour conclure ce mémoire, une étude du sloshing dans un réservoir en tenant compte de la Fluid-Structure Interaction (FSI) est présentée. Le choix du couplage a été porté sur un schéma partitionné itératif faible avec, dans un premier temps, une approche potentielle instationnaire, puis avec une approche Volume Of Fluid (VOF) pour la physique fluide. Les limites d’un tel couplage dans le cas d’étude d’un réservoir partiellement rempli de fluide et attaché de manière flexible en fonction du rapport de masse fluide-réservoir ont été mises en évidence. La correction du schéma de couplage par l’effet de masse ajoutée présentée dans [Song et al., 2013] permet la résolution d’un système couplé quel que soit le rapport de masse en jeu et améliore de manière significative la convergence en réduisant également fortement le temps de calcul.

  • Titre traduit

    Study of liquid sloshing in fuel tanks : numerical and experimental investigation


  • Résumé

    The present thesis focuses on an investigation of the sloshing phenomenon in a partially filled fuel tank submitted to a harmonic excitation motion. In the first part, the confrontation of numerical results between a linear approach - taking into account viscosity - and a nonlinear approach based on a commercial code leads to define a parameter of linearity. This parameter allows determining cases of sloshing who require non-linear resolution and those who need a linear theory to predict the phenomenon. An experimental study of fluid sloshing in a rectangular tank submitted to an automotive braking is conducted. Tests leaded allow measuring global forces engendered by the motion of the fluid, pressure of fluid impact and velocity field by PIV. This chapter provides an important data base and helps to investigate on the physical phenomenon. This study is completed by CFD results. To conclude, a numerical model for fluid-structure interactions is presented. Limits of this segregated partitioned coupling in case of sloshing in tank flexibly attached are highlighted, depending mostly on the mass ratio between fluid and tank structure. An added-mass term is integrated to the corrected staggered scheme ensuring systematically the convergence of the coupled solution and reducing significantly the iterations required.


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