Un méthode de couplage multi-échelle partitionée pour des problèmes d'intéraction fluide-structure non-linéaires en utilisant les méthodes SPH et des EF

A multi time-step partitioned approach for the coupling of SPH and FE methods for nonlinear FSI problems

• Auteur / Autrice : Jorge Nunez Ramirez
• Direction : Alain Combescure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 29/05/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Olivier Allix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Combescure, Olivier Allix, Elie Hachem, Mhamed Souli, Thouraya Baranger, Jean-Christophe Marongiu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Hachem, Mhamed Souli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Éléments finis, Méthode des

Hydrodynamique

Mots clés libres

Hydrodynamique

Méthode SPH

Métode des éléments finis

Technique non intrusive

Interaction fluide structure

Couplage fluide-Structure

Hydrodynamic

Method SPH

Finite element method

Non-Intrusive technique

Fluid interaction structure

Fluid-Structure coupling

Résumé

Dans le cadre de ce travail, une technique non-intrusive est proposée pour coupler la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) à la méthode des Eléments Finis afin de résoudre numériquement des problèmes dynamiques et non-linéaires d’interaction fluide-structure en permettant l’utilisation des pas de temps différents dans les deux domaines de calcul (fluide et solide). Ces développements sont motivés par le besoin de simuler numériquement des phénomènes rapides et très non-linéaires qui prennent en compte des impacts en se servant des intégrateurs temporels explicites dans chaque sous-domaine de calcul (Newmark explicite pour le solide et Runge-Kutta 2 pour le fluide). De ce fait, le pas de temps de stabilité est limité par des caractéristiques intrinsèques au modèle numérique du phénomène étudié et en conséquence, il devient important de pouvoir intégrer chaque sous-domaine numérique avec un pas de temps proche de son pas de temps de stabilité. Pour permettre d’utiliser un pas de temps proche du pas de temps de stabilité pour chaque sous-domaine, des méthodes de décomposition de domaines dual-Schur sont implémentées et validées pour des cas en 1-D, 2-D, et 3-D. Des simulations numériques d’impacts de cailloux sur des aubes des turbines hydrauliques sont aussi effectue´es afin de prédire le dommage que cet évènement peut engendrer.

A method to couple smoothed particle hydrodynamics and finite elements methods for nonlinear transient fluid–structure interaction simulations by adopting different time-steps depending on the fluid or solid sub-domains is proposed. These developments were motivated by the need to simulate highly non-linear and sudden phenomena that take into acount solid impacts and hence require the use of explicit time integrators on both sub-domains (explicit Newmark for the solid and Runge–Kutta 2 for the fluid). However, due to critical time-step required for the stability of the explicit time integrators in, it becomes important to be able to integrate each sub-domain with a different time-step while respecting the features that a previously developed mono time-step coupling algorithm offered. For this matter, a dual-Schur decomposition method originally proposed for structural dynamics was considered, allowing to couple time integrators of the Newmark family with different time-steps with the use of Lagrange multipliers.