Light and flexible Fluid/Structure Interaction, application to sailing boats
Interaction fluide-structure souple et legere, application aux voiliers
Résumé
This thesis, devoted to simulations of sailboat sail, was initiated by K-Epsilon, a
company specialized in numerical computations for naval hydrodynamics, IRENav, the French
naval academy laboratory and LHEEA from Ecole Centrale Nantes. In this context a finite
element program was developed dedicated to computing sail membranes and sailboat structures.
The program was coupled with an inviscid fluid solver. A more detailed modeling of the flow and
interaction was realized by implementing a coupling with a fluid solver code which solves the
Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations, developed by the DSPM team from LHEEA. For
the coupling it was necessary to look at the interface over which a transfer of variables between
the fluid and structure occurs. Another key consideration was the deformation of the fluid solvers
mesh. The part has been revisited and extended to reach the development of a fast, robust, and
parallelized method to treat the considered deformations. For good solution convergence and
stability properties an iterative, partitioned algorithm that relies on an approximation of the
interface’s Jacobian evaluated by the inviscid code and integrated in the structure’s equations
was used. Finally, applications employing these methodologies are presented. Comparisons were
made with an instrumented sailboat. A second experiment of an oscillating cloth was developed
to validate the case of interaction of a fluid with a light and flexible structure. Results were used
to validate the RANSE solver coupling. A more realistic calculation was also conducted on an
unsteady sailing spinnaker with an automatic trimming algorithm, showing the potential of the
present coupling.
Cette th`ese CIFRE qui s’int´eresse `a la simulation des voiles de bateaux, a ´et´e
initi´ee par la soci´et´e k-Epsilon, entreprise sp´ecialis´ee dans le calcul num´erique en hydrodynamique
navale, l’IRENav, laboratoire de l’Ecole Navale et le LHEEA de l’Ecole Centrale Nantes.
Dans ce contexte, un logiciel d´edi´e au calcul structure a ´et´e d´evelopp´e afin de simuler au moyen
d’´el´ements finis les membranes des voiles et les structures des voiliers. Ce code a ensuite ´et´e
coupl´e `a un solveur fluide parfait, puis `a un code fluide r´esolvant les ´equations de Navier-Stokes
en moyenne de Reynolds d´evelopp´e par l’´equipe DSPM du LHEEA. Pour cela, il a ´et´e n´ecessaire
de s’int´eresser `a l’interface, o`u s’op`ere le transfert de variables entre le fluide et la structure.
Autre point-cl´e, la partie d´eformation de maillage fluide a aussi ´et´e revisit´ee et ´etendue pour
aboutir au d´eveloppement d’une m´ethode rapide, robuste et parall`ele permettant de traiter les
d´eformations envisag´ees. Pour obtenir de bonnes propri´et´es de convergence et de stabilit´e, l’algorithme
partitionn´e et it´eratif s’appuie de plus sur une approximation du Jacobien de l’interface
´evalu´e par l’approche fluide parfait et int´egr´e au code structure. Enfin, des applications mettant
en oeuvre ces m´ethodologies sont pr´esent´ees. Des comparaisons sont effectu´ees avec un voilier
instrument´e. Une seconde exp´erience, la voile oscillante, est mise au point pour valider les cas
d’interaction fluide-structure souple et l´eg`ere. Les r´esultats ont permis de valider le couplage avec
un solveur RANSE. Un calcul plus r´ealiste a aussi ´et´e men´e en instationnaire sur un spinnaker
de voilier avec un algorithme de r´eglage.
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