Development and use of a fast simulation tool for the study of marine propulsion by flexible flapping foil inspired by cetacean swimming
Développement et utilisation d’un outil de simulation rapide pour l’étude de la propulsion maritime par foil oscillant souple inspirée de la nage des cétacés
Résumé
The bio-mimetic propulsion consists in propelling a nautical device by the oscillation of a profiled body (foil), in the way of the caudal fin of cetaceans. The will to reduce energy consumption and pollution generated by maritime transport, actively motivates the exploration of this propulsion principle which is an alternative to propellers. However, experimental Facilities and high-fidelity numerical simulations remain expensive and hard to set up. The work carried out has led to the development of a reduced order model allowing to rapidly simulate the performances of a flapping foil and to study the influence of its flexibility.The developed model is based on a strong coupling between a non-linear 3D lifting-line method and a dynamic stall model. The non-linear 3D lifting-line method allows to quickly estimate the hydrodynamic loading acting on a finite span foil with sweep, dihedral and twist in a stationary flow. It is a numerical version of the Prandtl's lifting-line method. It is enhanced with a 3D version of the Kutta-Jukowski theorem and a non-linear resolution algorithm, allowing non-linear 2D polars to be used. An artificial viscosity has been added to the lifting-line equations to allow the correct representation of the static stall phenomenon. The dynamic stall model used is a modified version of the Beddoes-Leishman model. This model allows to quickly obtain the dynamic coefficients of lift, drag and moment for a 2D profile subjected to any motion. The unsteady simulation of flapping foil is performed by a moving lifting-line simulation, for which the behaviour of each spanwise section is given by the dynamic stall model. An unsteady wake generated by vortex shedding is also added downstream of the foil in order to allow the story of the movement to be taken into account.The conditions of the simulations performed were chosen to be representative of cetacean swimming. That is, the foil motion is composed of heaving and pitching simultaneously. The Reynolds number of the flow is large (Re>10^4). The amplitude of the foil motion is in the same order of magnitude than its chord length, and the Strouhal number of the oscillation is in the order of magnitude St=0.3, consistent with the biological observations.The obtained results revealed the influence of the motion on the Strouhal number maximizing the propulsive efficiency of the foil. Furthermore, the results showed that the benefit provided by the flexibility of the foil is greater for combined heave and pitch motions, compared to pure heave motion. Flexibility is also more favourable when the amplitude of motion is small. The maximum propulsive efficiency obtained is 0.89 and the maximum benefit due to flexibility is 6.6%.
La propulsion bio-mimétique consiste à propulser un engin nautique par l’oscillation d’un corps profilé (foil), à l’image de la nageoire caudale des cétacés. La volonté de réduire la consommation énergétique et la pollution générée par le transport maritime, motive activement l’exploration de ce principe de propulsion alternatif à l’hélice. Toutefois, les dispositifs expérimentaux et les simulations haute-fidélité restent aujourd'hui coûteux et difficiles à mettre en place. Le travail réalisé au cours de cette thèse a conduit au développement d’un modèle d’ordre réduit permettant de simuler rapidement les performances d’un foil oscillant et d’étudier l’influence de sa flexibilité.Le modèle développé se fonde sur un couplage fort entre une méthode de ligne portante 3D non-linéaire et un modèle de décrochage dynamique. La méthode de ligne portante 3D non-linéaire permet d’estimer rapidement le chargement hydrodynamique agissant sur un foil d’envergure finie avec flèche, dièdre et vrillage dans un écoulement stationnaire. Il s’agit d’une version numérique de la méthode de ligne portante de Prandtl. Celle-ci est agrémentée d’une version 3D du théorème de Kutta-Jukowski et d’un algorithme de résolution non-linéaire, permettant la prise en compte de polaires 2D non-linéaires. Une viscosité artificielle a été ajoutée aux équations de la ligne portante pour permettre la représentation correcte du phénomène de décrochage statique. Le modèle de décrochage dynamique utilisé est une version modifiée du modèle de Beddoes–Leishman. Celui-ci permet d’obtenir rapidement les coefficients dynamiques de portance, de trainée et de moment pour un profil 2D soumis à un mouvement quelconque. La simulation instationnaire d’un foil oscillant est réalisée par un calcul de ligne portante mobile, pour laquelle le comportement de chaque section du foil est donné par le modèle de décrochage dynamique. Un sillage instationnaire par lâcher tourbillonnaire est également mis en œuvre en aval du foil pour permettre la prise en compte de l’histoire du mouvement.Les conditions des simulations réalisées ont été choisies de sorte à être représentatives de la nage des cétacés. C’est-à-dire que le foil est animé d’un mouvement de pilonnement et de tangage combiné. Le nombre de Reynolds de l’écoulement est grand (Re>10^4). L’amplitude du mouvement du foil est de l’ordre de sa longueur de corde, et le nombre de Strouhal de l’oscillation est de l’ordre de St=0.3, conformément aux observations biologiques.Les résultats obtenus ont révélé l’influence du mouvement sur le nombre de Strouhal permettant de maximiser le rendement propulsif du foil. De plus, les résultats ont montré que le bénéfice apporté par la flexibilité du foil est supérieur pour les mouvements de pilonnement et de tangage combinés, par rapport au pilonnelent pur. La flexibilité est également plus favorable lorsque l’amplitude du mouvement est faible. Le rendement propulsif maximal obtenu est 0.89 et le bénéfice maximal lié à la flexibilité est 6.6%.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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