Dynamique des aérostats et dirigeables souples

par Robin Le Mestre

Projet de thèse en Mécanique des fluides

Sous la direction de Olivier Doaré.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) et de École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 31-08-2018 .


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est d'étudier les couplages fluide-structure entre un dirigeable, le fluide interne qu'il contient et le fluide externe qui s'écoule autour de lui. Ce problème sera abordé à la fois de manière numérique et expérimentale. Pour l'approche numérique, on supposera dans un premier temps que le fluide a un comportement potentiel (fluide parfait incompressible) et on linéarisera les efforts de pression exercés par chacun des fluides sur le dirigeable autour de l'état d'équilibre du système afin d'identifier des opérateurs de masse, raideur et amortissement associés qui viennent s'ajouter à ceux de la structure. La mise en œuvre numérique se fera à l'aide d'un outil libre de résolution d'équations au dérivées partielles par éléments finis (problème confiné, proche des conditions expérimentales), puis grâce à un code de résolution par éléments de frontière (domaine infini, proche des conditions de fonctionnement d'un dirigeable). Pour l'approche expérimentale, une première étude consistera à réaliser des expériences d'oscillations forcées de corps rigides avec fluide interne et/ou externe au repos. Le fluide considéré sera de I ‘eau et les objets seront de taille très inférieure aux objets réels. Des coefficients de masse ajoutée en seront déduits et comparés aux résultats numériques obtenus. Dans un second temps, on s'intéressera à la présence d'un écoulement environnant, pour obtenir des coefficients aérodynamiques. L'objectif sera d'obtenir les coefficients d'amortissement et masse ajoutés pour I ‘ensemble de paramètres sans dimension caractérisant le problème, les principaux modes décrivant la cinématique, et les couplages entre ces modes.

  • Titre traduit

    Aerostats and flexible airships dynamics


  • Résumé

    The objective of this thesis is to study the fluid structure interactions between an airship, the internal fluid it contains and the external fluid that flows around it. This problem will be tackled both numerically and experimentally. Regarding the numerical approach, we will consider the case of a potential flow (perfect, incompressible fluid) and the pressure resulting on the airship from the fluids will be linearized around an equilibrium state in order to identify mass, damping and rigidity coefficients associated with the fluid to complete the dynamic modelling of the structure. The numerical study will be realized thanks to an open source differential equation solver software using finite elements (confined fluid, matching the experimental setup), and afterward using a boundary element method code (infinite fluid domain, matching the operating conditions of an airship). Concerning the experimental setup, it will be tackled first by experimenting on rigid bodies oscillating in a confined fluid at rest. The considered fluid will be water and the models will have a characteristic length much smaller than real scale airships. Added mass coefficients will be identified and compared to analytic and numerical solutions. After that, similar experiments will be done in a stationary flow. The objective will be to obtain damping and rigidity coefficients for the whole set of non-dimensional parameters of the problem, the main modes of vibration, and the coupling between those modes.