Contribution to the modeling of fluid-structure interaction
Contribution à la modélisation des interactions fluides-structures
Résumé
The main goals sought by this thesis target the development and expertise of a methodology
for numerical simulation of fluid-structure interactions problems. In order to identify the
studied problem progressively, we are interested primarily in numerical simulation of flows
around bluff bodies, especially the phenomenon of vortex shedding in the wake zone of a
bluff body of different shapes. We used the finite element method by adopting the stabilized
GLS (Galerkin Least-Square) technique. For the treatment of turbulence, we opted the LES
(Large-Eddy Simulation) method using the Smagorinsky filter. In the second phase, we were
interested in flows in deformable media. We undertook the ALE (Arbitrary Lagrangian
Eulerian) formulation by considering a deformable mesh. To update the grid of the dynamic
mesh, we used a pseudo-elastic approach. To appraise the implemented methodology, we
decided to approach the problem of sloshing at the free surface of a tank partially filled with
liquid. In the final part, we were interested in vibration behavior of a solid body under the
effect of fluid flow. By using a fully implicit coupling algorithm based on a relaxed Bloc
Gauss-Seidel method, we studied the phenomenon of aeroelastic instability of cable-stayed
bridges. To validate the numerical model treating fluid-structure interactions by experimental
data, we investigated the vibration behavior of a real deck sectional model under the effect of
a uniform wind.
Les buts principaux recherchés de la présente thèse visent au développement et à l’expertise
d’une méthodologie de simulation numérique des problèmes d’interactions fluides-structures.
Afin de cerner progressivement le problème étudié, nous nous sommes intéressés en premier
lieu à la simulation numérique des écoulements autour d’obstacles solides, plus
particulièrement au phénomène d’éclatements tourbillonnaires dans la zone de sillage
d’obstacles de différentes formes. Nous avons utilisé la méthode des éléments finis en
adoptant la technique de stabilisation GLS (Galerkin Least-Square). Pour le traitement de la
turbulence, nous avons opté pour la méthode LES (Large-Eddy Simulation) en utilisant le
filtre de Smagorinsky. En deuxième phase, nous nous sommes intéressés aux écoulements en
milieux déformables. Nous avons entrepris la formulation ALE (Arbitrairement Lagrangienne
Eulérienne) en considérant un maillage déformable. Pour la mise à jour de la grille du
maillage dynamique, nous avons utilisé une approche pseudo-élastique. Afin d’expertiser la
méthodologie mise en œuvre, nous avons choisi d’aborder le problème des ballottements à la
surface libre de réservoirs partiellement remplis de liquide. En dernière partie, nous nous
sommes intéressés au comportement vibratoire d’un corps solide sous l’effet d’un écoulement
de fluide. Par l’utilisation d’un algorithme de couplage totalement implicite basé sur la
méthode de Gauss-Seidel par Bloc, nous avons abordé le phénomène des instabilités
aéroélastiques des ponts à haubans. Pour la validation du modèle numérique traitant les
interactions fluides-structures par les données expérimentales, nous nous sommes intéressés
au comportement vibratoire d’une maquette sectionnelle d’un tablier de pont réel sous l’effet
d’un vent soufflant uniforme.
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