Couplage CFD / DDA pour les interactions fluide-structure avec des applications aux problèmes environnementaux

CFD/DDA coupling for fluid-structure interactions with applications to environmental problems

• Auteur / Autrice : Dong Ding
• Direction : Abdellatif Ouahsine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 23/03/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ballast (chemins de fer)

Simulation par ordinateur

Pénalisation, optimisation mathématique

Méthode des éléments discrets

Éléments finis, Méthode des

Mécanique du contact

Déformations (mécanique)

Hydrodynamique

Mécanique des fluides

Modélisation CFD

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Analyse des Déformations Discontinues (DDA)

Couplage CFD / DDA

Méthode du plan commun

Discontinuous Deformation Analysis (DDA)

CFD/DDA coupling

Fluid-structure interactions

Numerical simulation

Penalty method

Common plane method

Open-close iteration

Fluid mechanics

Computational fluid dynamics

Finite Element Method (FEM)

Discrete Element Method (DEM)

Contact mechanics

Ballast

Résumé

Les travaux dans cette thèse concernent le développement de méthodes numériques pour des applications de couplage fluide-structure en mécanique des fluides de l’environnement. Il s’agit de mettre en œuvre des techniques numériques adaptées au couplage d’un modèle d’éléments discrets (DEM) basé sur la méthode d’Analyse des Déformations Discontinus (DDA), avec un modèle avec maillage basée sur la méthode d’Eléments finis (FEM). Ces travaux concernent tout d’abord (i) le développement et la mise en place de la version bidimensionnelle (2D), ensuite (ii) le développement de la version 3D de la méthode DDA. (i) La première partie a nécessité la programmation en langage C++ de la version 2D du modèle numérique avec la DDA, ceci en adoptant la méthode de ‘Pénalité’ pour la gestion de contacts entre blocs (solides). La validation et l’application de cette version 2D du modèle numérique ont été réalisées dans deux cas d’étude : - le premier cas concerne la Dynamique et l’envol de ballasts par le déplacement des trains à Grande Vitesse TGV. L’objectif principal de cette application est de déterminer les facteurs d’influence du vol du ballast et d’analyser le comportement dynamique des particules de ballast lors de leur collision avec un bloc neige / glace, ceci en tenant compte de la forme des blocs de glace et les contacts entre les particules de ballast, ainsi que de la vitesse, de la forme et de l’angle incident des blocs neige / glace. Les résultats de ce premier travail ont fait l’objet d’un article publié dans le journal “Transportation Geotechnics”, Elsevier. - le deuxième cas d’étude, concerne le déplacement d’un caisson induit par des impacts hydrodynamiques. Un modèle basé sur le couplage de trois milieux (fluide-poreux-solide) est développé. Le milieu fluide est décrit par les équations 3D de Navier-Stokes auxquelles sont ajoutées les équations de turbulence à deux équations (K-epsilon). Le milieu poreux est décrit par les équations non linéaires de Forchheimer, lesquelles sont ajoutées aux termes d’inertie du milieu fluide. Enfin, les mouvements du milieu solide sont évalués par la méthode d’analyse de déformation discontinue (DDA), laquelle fait partie des Méthodes des Eléments Discrets (DEM). Les résultats de ce deuxième travail ont fait l’objet d’un article publié dans le dans journal "Ocean Engineering", Elsevier. (ii) La deuxième partie, a également nécessité la programmation en langage C++, porte sur le développement et l’implémentation de la version 3D de la méthode DDA. Une attention particulière a été portée sur la détection des contacts entre blocs, considérés comme des solides rigides. Ainsi les techniques du Plan Commun et de pénalité ont été utilisées pour éviter les processus d’interpénétration entre blocs solides. Les résultats du modèle 3D-DDA ont été vérifiés et validés tout d’abord par des cas tests académiques, sans milieu fluide. Ensuite, le modèle 3D-DDA a été testé par une procédure d’interaction fluide-structure qui concerne la stabilité d’un barrage hydraulique présentant des fissures. Dans cette application, il a été examiné la stabilité et l’endommagement de l’ouvrage, au fur et à mesure que le niveau d’eau augmente et en fonction de la cohésion entre les blocs.

In numerous applications of environmental fluid mechanics, problems of retroactive interaction between the fluid medium and the discrete solid medium are encountered. This requires the implementation of appropriate numerical coupling techniques and of discrete element methods to take into account the discrete nature of the solid units of the studied medium. This is the case, for example, when studying the problems concerning the stability of rockfill dikes or even the flight of highspeed train ballasts, where the solid medium consists of discrete blocks. In this thesis, the Discontinuous Deformation Analysis (DDA) method is adopted to study discontinuous and discrete problems. In the first part of the thesis, twodimensional Discontinuous Deformation Analysis (2-D DDA) is initially used to study the ballast flight caused by dropping snow / ice blocks on high-speed railways and to analyze the dynamic behavior of ballast particles during their collision with a snow / ice block. The numerical results show that the velocity, shape and incident angle of the snow / ice block play an important role in the ballast flight. Specifically, the number and the maximum displacement of ballast particles increase with the speed of the train while the incident angle greatly affects the direction of motion of the ballast particles. The shape of the ice block affects the amount and the extent of the ballast flight. Afterward, the coupling between 2D-DDA and the Computational Fluid Dynamics (CFD) equations (2D-DDA / CFD) is carried out to study the stability of a breakwater under violent wave impacts by using a triple-coupled Fluid-Porous-Solid model. Here, the fluid model is described by the Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations in which the nonlinear Forchheimer equations for the porous medium are added to the inertia terms. The 2D-DDA method is used to analyze the movement and the stability of the caisson and armor units by taking into account the shapes of the armor units, as well as the contact between blocks. In the second part of the thesis, the 3D version of the DDA method is developed by programming in the C ++ language. Particular attention is given to the detection of contacts between blocks, considered as rigid solids. Thus, the techniques of the Common Plane and of the soft contact method are used to avoid the processes of penetration between solid blocks. The 3D-DDA method is verified and validated first of all by academic test cases. Then, the 3D-DDA model is tested by a fluidstructure interaction procedure which concerns the stability of a hydraulic gravity dam with pre-existing cracks. The stability and damage of the structure are examined as the water level rises and as a function of the cohesion between the blocks.