Interaction fluide-structure pour des configurations multi-corps. Applications aux liaisons complexes, lois de commande d'actionneur et systèmes souples dans le domaine maritime. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Fluid-structure interaction for multi-body systems. Applications to complex joints, control laws of actuators and flexible systems in the maritime field.

Interaction fluide-structure pour des configurations multi-corps. Applications aux liaisons complexes, lois de commande d'actionneur et systèmes souples dans le domaine maritime.

Résumé

The aim of this work is to develop a coupling between two solvers in order to study complex mechanical systems which are in strong interaction with a fluid. The co-simulation provides the ability to carefully model without significant approximations the fluid physics, the dynamics of the mechanical systems and their coupling. The Reynolds-averaged Navier-Stokes equations for incompressible, isothermal, turbulent and multiphase flows are solved by ISIS-CFD. The mechanical problem is solved by MBDyn which is an open- source solver dedicated to dynamic multi-body systems. A general and formal formulation of the coupling problem is realised using the Steklov-Poincaré formulation. An implicit, efficient and stable coupling algorithm is proposed, tested and validated. The algorithm stabilisation is achieved through a relaxation operator which depends on the added mass effects. Thus, a method to evaluate the added mass effects is implemented in ISIS-CFD. Due to the finite-volume formulation adopted in this solver, this method is general. For instance, complex geometries or the free surface deformation can be taken into account. Moreover, the proposed algorithm does not require any modifications to be made to both solvers. Only the implementation of interfaces is required. In addition, it is shown that the number of iterations to reach a converged state, is of the same order when the kinematics are solved or when the motion is known in advance and imposed (optimal configuration). The coupling algorithm is validated on the following cases: vortex induced motions of simple shapes, evaluation of the transfer functions of a frigate in regular head waves, computation of the motion of very low density bodies (strong anisotropic added mass effects), analysis of the roll decay of a frigate with active fins (control of actuators) and simulation of a moored ship in shallow water disturbed by a nearby ship (breaking of mooring lines). Two simulations with flexible beams are also presented. The framework is proven to be efficient for all the above cases. For instance, the computed transfer functions of a frigate in regular head waves are in good agreement with experimental data and the effect of the stabilizer fins on the roll decay of a frigate is perfectly captured.
Ce travail vise à développer un couplage entre deux solveurs généralistes pour étudier des systèmes mécaniques complexes en interaction forte avec un milieu fluide. La simulation collaborative offre la possibilité de modéliser finement et sans approximation notable le comportement du milieu fluide, la dynamique des systèmes mécaniques considérés et les couplages entre ces deux milieux. Les équations de Navier-Stokes exprimées en moyenne de Reynolds pour un écoulement incompressible, isotherme, turbulent et diphasique sont résolues par ISIS-CFD. La dynamique du système mécanique est résolue par MBDyn, solveur open-source d'analyse des systèmes multi-corps. Une formulation générale et formelle du problème couplé par le biais de la formulation de Steklov-Poincaré est réalisée. Un algorithme de couplage implicite, rapide et stable est proposé, testé et validé. La stabilisation de l'algorithme est obtenue par le biais d'un opérateur de relaxation dépendant des effets de masse ajoutée. Pour cela, une méthode d'évaluation des effets de masse ajoutée est implémentée au sein de ISIS-CFD. Du fait de la formulation volumes finis adoptée au sein de ce solveur, cette méthode est générale. Par exemple, elle permet de prendre en compte des géométries complexes ou la déformée de la surface libre. De plus, l'algorithme de couplage proposé ne requiert pas que des modifications soient apportées au sein de chacun des solveurs. Seule la mise en place d'interfaces est nécessaire. De plus, il est montré que le nombre total d'itérations pour atteindre un état convergé est du même ordre de grandeur lorsque le mouvement est résolu ou quand il est connu d'avance et imposé (configuration optimale). L'algorithme de couplage est validé sur les applications suivantes : étude de structures excitées par des lâchers tourbillonnaires, évaluation des fonctions de transfert d'une frégate soumise à une houle de face, calcul du mouvement de corps de faible densité en déséquilibre hydrostatique (effets de masse ajoutée importants et anisotropes), analyse de l'amortissement en roulis d'une frégate par des ailerons actifs (commande d'actionneurs) et simulation d'un navire amarré en faible profondeur perturbé par un navire passant à proximité (modélisation de ruptures d'amarres). Deux simulations mettant en jeu des corps flexibles de type poutre ont également été menées. La chaîne de calcul s'est montrée performante sur l'ensemble des applications citées ci-dessus. Par exemple, les fonctions de transfert de la frégate soumise à une houle de face sont très proches de celles évaluées lors d'essais expérimentaux et l'effet des ailerons de stabilisation sur l'amortissement en roulis d'une frégate est parfaitement capturé.
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Dates et versions

tel-01202821 , version 1 (21-09-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01202821 , version 1

Citer

Camille Yvin. Interaction fluide-structure pour des configurations multi-corps. Applications aux liaisons complexes, lois de commande d'actionneur et systèmes souples dans le domaine maritime. . Mécanique des fluides [physics.class-ph]. ULAM /Ecole Centrale de Nantes (ECN), 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01202821⟩
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