Modélisation des écoulements transsoniques décollés pour l'étude des interactions fluide-structure PDF Download
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Book Description
Les écoulements transsoniques rencontrés dans le cadre de la propulsion aéronautique et spatiale sont associés à l'apparition d'ondes de choc. En impactant la couche limite se développant sur une paroi, un gradient de pression adverse est généré qui conduit à l'épaississement ou au décollement de la couche limite. Lors de la vibration de la structure, l'onde de choc oscille et interagit avec la couche limite, générant une fluctuation de la pression statique à la paroi. Il s'ensuit alors un échange d'énergie entre le fluide et la structure qui peut être stabilisant ou au contraire conduire à une instabilité aéroélastique (flottement). La modélisation de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite pour l'étude des interactions fluide-structure est l'objet de ce travail de recherche. Il s'appuie sur la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) et la modélisation de la turbulence. Les méthodes et modèles utilisés ont été validés à partir de résultats expérimentaux issus d'une tuyère transsonique dédiée à l'étude des interactions fluide-structure. Ces travaux sont ensuite appliqués à l'amélioration de la prédiction du flottement en turbomachine. Une méthode linéarisée en temps permettant la résolution des équations RANS dans le domaine fréquentiel est utilisée. Nous confirmons l'importance de la dérivation du modèle de turbulence lors de la prédiction d'une interaction forte entre une onde de choc et une couche limite décollée. Une méthode de régularisation est présentée puis appliquée aux opérateurs non dérivables du modèle de turbulence k-! de Wilcox (2006). La prédiction de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite dans une tuyère est évaluée à partir de simulations bidimensionnelles et présente un bon accord avec les données expérimentales. En évaluant l'influence de la fréquence réduite, une instabilité aéroélastique de type flottement transsonique est identifiée. Un dispositif de contrôle, reposant sur la génération d'ondes de pression rétrogrades à l'aval de la tuyère, est proposé puis validé numériquement. Enfin, une méthodologie est proposée pour comprendre les mécanismes aérodynamiques conduisant au flottement. Pour cela, il a été réalisé un dessin provisoire d'une soufflante transsonique à fort taux de dilution. Cette soufflante, l'ECL5, est destinée à l'étude expérimentale des instabilités aérodynamiques et aéroélastiques. La méthodologie proposée repose sur la simulation 2D d'une coupe de tête et met à profit la linéarisation pour analyser la contribution de sources locales en fonction de la fréquence réduite, du diamètre nodal et de la déformée modale.
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Les écoulements transsoniques rencontrés dans le cadre de la propulsion aéronautique et spatiale sont associés à l'apparition d'ondes de choc. En impactant la couche limite se développant sur une paroi, un gradient de pression adverse est généré qui conduit à l'épaississement ou au décollement de la couche limite. Lors de la vibration de la structure, l'onde de choc oscille et interagit avec la couche limite, générant une fluctuation de la pression statique à la paroi. Il s'ensuit alors un échange d'énergie entre le fluide et la structure qui peut être stabilisant ou au contraire conduire à une instabilité aéroélastique (flottement). La modélisation de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite pour l'étude des interactions fluide-structure est l'objet de ce travail de recherche. Il s'appuie sur la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) et la modélisation de la turbulence. Les méthodes et modèles utilisés ont été validés à partir de résultats expérimentaux issus d'une tuyère transsonique dédiée à l'étude des interactions fluide-structure. Ces travaux sont ensuite appliqués à l'amélioration de la prédiction du flottement en turbomachine. Une méthode linéarisée en temps permettant la résolution des équations RANS dans le domaine fréquentiel est utilisée. Nous confirmons l'importance de la dérivation du modèle de turbulence lors de la prédiction d'une interaction forte entre une onde de choc et une couche limite décollée. Une méthode de régularisation est présentée puis appliquée aux opérateurs non dérivables du modèle de turbulence k-! de Wilcox (2006). La prédiction de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite dans une tuyère est évaluée à partir de simulations bidimensionnelles et présente un bon accord avec les données expérimentales. En évaluant l'influence de la fréquence réduite, une instabilité aéroélastique de type flottement transsonique est identifiée. Un dispositif de contrôle, reposant sur la génération d'ondes de pression rétrogrades à l'aval de la tuyère, est proposé puis validé numériquement. Enfin, une méthodologie est proposée pour comprendre les mécanismes aérodynamiques conduisant au flottement. Pour cela, il a été réalisé un dessin provisoire d'une soufflante transsonique à fort taux de dilution. Cette soufflante, l'ECL5, est destinée à l'étude expérimentale des instabilités aérodynamiques et aéroélastiques. La méthodologie proposée repose sur la simulation 2D d'une coupe de tête et met à profit la linéarisation pour analyser la contribution de sources locales en fonction de la fréquence réduite, du diamètre nodal et de la déformée modale.
Author: Abdelkhalak El Hami Publisher: ISTE Group ISBN: 1784052809 Category : Fluid-structure interaction Languages : fr Pages : 269
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La série Fiabilité des systèmes multiphysiques s’intéresse aux avancées de la recherche et de l’industrie appliquées aux domaines de l’optimisation, de la fiabilité et de la prise en compte des incertitudes des systèmes. Ce couplage est à la base de la compétitivité des entreprises dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique, du génie civil ou de la défense. L’« interaction fluide-structure » regroupe l'étude de tous les phénomènes présentant le couplage du mouvement d'une structure avec celui d'un fluide. La gamme des phénomènes étudiés est très étendue, allant de l'étude de cylindres ou structures vibrants dans des écoulements à des phénomènes de surface libre dans des réservoirs. Cet ouvrage présente les différents aspects de l’interaction fluidestructure (vibroacoustique et aérodynamique) ainsi que les différentes méthodes utilisées afin de réaliser des simulations numériques. S’appuyant sur deux logiciels, Ansys pour le calcul des structures et Fluent pour le calcul des fluides, il traite de la réduction du modèle couplé fluide-structure et de ses incertitudes, ainsi que de l’aspect optimisation couplée à la fiabilité (RBDO). Accompagné d’exemples détaillés, Interactions fluide-structure et incertitudes présente les outils récents de conception les plus performants. Il s’adresse aux étudiants et élèves ingénieurs et constitue un support précieux pour les ingénieurs en activité et les enseignantschercheurs.
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L'étude de schémas numériques à haute précision appliques a la simulation d'un écoulement transsonique instationnaire, voir turbulent, est l'objet principal de ce travail. La méthode développée est bâtie sur les équations de Navier-Stokes moyennées, écrites sous forme conservative. Elles sont intégrées en espace dans le cadre d'une formulation volume fini en maillage curviligne structure, mobile et déformable. L'intégration en temps est explicite. Les flux convectifs sont évalués par une approche muscl, couplée a un schéma mixte, résultant de l'hybridation en fonction du nombre de mach d'un schéma centre et d'une technique de séparation de flux proposée par van Leer. Les termes diffusifs sont quant a eux traites par un schéma centre, la turbulence étant prise en compte a travers l'hypothèse de Boussinesq et le modèle algébrique de Michel. Enfin, les conditions aux limites géométriques sont gérées via l'extension du domaine de calcul par la création de nœuds supplémentaires, alors qu'un traitement des conditions physiques a partir des équations de compatibilité est mis en place. Quelques configurations caractéristiques ont par ailleurs été simulées et analysées. Une description de grande qualité de discontinuités instationnaires et de leurs interactions a été obtenue. D'autre part, ont été simules des écoulements multi-dimensionnels confines stationnaires, transsoniques, pour un fluide parfait ou turbulent, pour différents nombres de mach. Il en ressort une bonne capture des discontinuités, et une gestion correcte des effets visqueux, en particulier des interactions choc/couche limite, ce qui établit la qualité du schéma mixte. Une meilleure compréhension du comportement des méthodes numériques, entre autres de la technique de séparation des flux utilisée, en est un autre apport
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Cette thèse s'inscrit dans la modélisation des écoulements hyper-enthalpiques, et vise à terme l'étude des scramjets. Dans ce cadre, l'interaction fluide est déterminante pour modéliser proprement le mélange des gaz menant à la combustion supersonique. De même, la prise en compte des déformations des parois est primordiale si l'on veut déterminer les couplages aéroélastiques et les modifications des configurations de l'écoulement. Ainsi, nous avons confronté notre approche à des expériences sur l'interaction choc-bulle, dans le but de valider notre code fluide CARBUR pour traiter de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov. Nous avons ensuite, réalisé un couplage de CARBUR à MARCUS, notre code structure, pour modéliser l'interaction fluide-structure. Ce couplage est valide sur deux cas de référence : un couplage aéroélastique et une expérience que nous avons conçue. Puis une étude d'interaction fluide réactif-structure est proposée au travers de l'amorçage de la tuyère MASCOTE.
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Ce travail de thèse porte sur la modélisation d'écoulements multiphasiques incompressibles, avec une application aux systèmes fluide-particules. En guise d'introduction on présente le problème physique suivi de deux méthodes de pénalisation de volume retenues pour sa modélisation. L'une des méthodes consiste à faire appel aux équations de Navier-Stokes à densité et viscosité variables, puis à pénaliser le tenseur des taux de déformations dans la région occupée par les particules. Les résultats démontrés sont consacrés à ces équations. On considère dans un premier temps un schéma implicite obtenu par discrétisation des équations de Navier-Stokes à densité et viscosité variables sur un maillage MAC non uniforme pour les volumes finis. Après avoir démontré l'existence de solutions à chaque pas de temps, on réalise l'étude de convergence de ce schéma lorsque les pas de discrétisation en temps et espace tendent vers 0. Une alternative au schéma précédent utilisant une méthode de projection incrémentale est ensuite étudiée et prouvée stable. Afin de simuler les problèmes d'écoulements multiphasiques, on introduit une technique pour advecter efficacement la densité. Elle vient remplacer le transport par le schéma upwind, générateur de diffusions numériques. On présente finalement un code de calcul multi-langage développé pour la simulation de problèmes fluide-structure en 3D avec les schémas introduits. On détaille alors les algorithmes implémentés pour les méthodes de pénalisation. On conclut avec une perspective de parallélisme du code à l'aide d'une méthode de splitting d'opérateur qui a déjà été expérimentée pour des problèmes paraboliques.
Author: Guillaume Delay Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 173
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Ce travail de thèse porte sur l'étude d'un système d'interaction fluide-structure. Nous en traitons de nombreux aspects allant de sa modélisation jusqu'à l'étude de sa stabilisation et de sa simulation numérique. Le premier chapitre du manuscrit aborde la modélisation du système ainsi que l'existence de solutions fortes en temps petits. Le fluide est représenté par les équations de Navier-Stokes incompressibles. La structure est déformable et dépend d'un nombre fini de paramètres. Nous obtenons ses équations en appliquant un principe des travaux virtuels. Le système d'équations final est non linéaire. Nous prouvons l'existence locale d'une solution à ce système, dans un premier temps sur le système linéarisé autour de l'état nul. Puis, nous prouvons l'existence de solutions en temps petits au système non linéaire grâce à un argument de point fixe. Le deuxième chapitre traite de la stabilisation par feedback autour d'un état stationnaire non nul du système présenté dans le Chapitre 1. L'opérateur de feedback est déterminé à partir de l'analyse du problème linéarisé autour de l'état stationnaire et de la résolution d'une équation de Riccati. Le résultat de stabilisation portant sur le système non linéaire requiert des données petites et est obtenu par un argument de point fixe. Le troisième chapitre se concentre sur les aspects numériques de ce problème. La construction de l'opérateur de feedback correspond à la version discrétisée de celle proposée dans le Chapitre 2. Le système fluide-structure est simulé en utilisant une méthode de domaines fictifs.
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A L'HEURE ACTUELLE, LES PHENOMENES D'INSTABILITES VIBRATOIRES DANS LES TURBOMACHINES ET INSTALLATIONS INDUSTRIELLES, JOUENT UN ROLE IMPORTANT AU NIVEAU DES ETUDES ET DEVELOPPEMENTS DE PRODUITS NOUVEAUX. DANS CE CONTEXTE, UN CALCUL D'ECOULEMENT BIDIMENSIONNEL, INCOMPRESSIBLE ET INSTATIONNAIRE AVEC MAILLAGE CURVILIGNE GENERAL MOBILE ET DEFORMABLE A ETE DEVELOPPE. LA METHODE DES VOLUMES FINIS EST EMPLOYEE POUR LA RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS DE TRANSPORT DE L'ECOULEMENT DE FLUIDE, ASSOCIEES A UN MODELE DE FERMETURE DE LA TURBULENCE DE TYPE K-EPSILON ET A DES LOIS DE PAROI CLASSIQUES. POUR LES DISCRETISATIONS SPATIALE ET TEMPORELLE, LE CALCUL NUMERIQUE UTILISE RESPECTIVEMENT, UN SCHEMA DE SECOND ORDRE (QUICK) ET UN SCHEMA TOTALEMENT IMPLICITE. LE TRAITEMENT DU COUPLAGE VITESSE-PRESSION EST REALISE PAR LA PROCEDURE ITERATIVE SIMPLER. APRES SA VALIDATION, LE CODE NUMERIQUE A ETE COUPLE FORTEMENT AU CALCUL DE LA REPONSE DYNAMIQUE D'UNE STRUCTURE RIGIDE OSCILLANT ELASTIQUEMENT. AINSI, DES PHENOMENES D'INTERACTION FLUIDE-STRUCTURE COMME L'AMORTISSEMENT DYNAMIQUE OU ENCORE L'EFFET DE LA MASSE AJOUTEE ONT PU ETRE SIMULES. LES DIFFERENTES CAPACITES DE CE MODE NUMERIQUE A MODELISER DES PHENOMENES D'INSTABILITES HYDROELASTIQUES ONT ETE MIS EN EVIDENCE, A TRAVERS NOTAMMENT UNE PREMIERE APPLICATION AU CAS D'UN PROFIL D'AVANT DIRECTRICE DE TURBINES HYDRAULIQUES
Author: Gabriel St-Onge Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées.
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Dans le contexte des interactions fluide-structure, ce stage a consisté en l'analyse physique d'un écoulement instationnaire autour d'une configuration de deux cylindres en tandem à nombre de Reynolds élevé, au moyen de simulations numériques. À l'aide des modèles de turbulence au premier ordre par approche statistique et du code de calcul NSMB, une première étude en 2D en statique a été menée. Ce cas test est assimilable de manière simplifiée à un train d'atterrissage. Une attention spéciale est portée sur l'instabilité de Von Kármán qui sera mise en évidence à travers des analyses spectrales des forces aérodynamiques ainsi que sur l'interaction du sillage du cylindre amont sur le cylindre aval et la physique mise en jeu. Les résultats obtenus seront confrontés aux résultats expérimentaux du centre de recherche « NASA-Langley Research Center ». Dans une deuxième partie, un étude en 2D en dynamique, en laissant le cylindre aval libre de se mouvoir dans la direction perpendiculaire à l'écoulement sera réalisée. En changeant les paramètres caractéristiques d'amortissement et raideur du cylindre, le but sera de connaître la fréquence dominante de la réponse, délimiter l'intervalle de vitesse réduite pour lequel un phénomène d'accrochage en fréquence se produit entre l'oscillation du cylindre et l'émission des tourbillons, ainsi que d'étudier l'amplitude de la réponse du cylindre aval en fonction de la vitesse réduite. Le mouvement du cylindre et du domaine fluide sera pris en compte grâce à la formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian). Mots clés : interaction fluide-structure, cylindres tandem, instabilité de Von Kármán, vitesse réduite, accrochage en fréquence.
Author: Claire Bost Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 157
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Ce travail est consacré à l'étude de problèmes de couplage fluide-structure par des méthodes de frontière immergée et de pénalisation. Dans une première partie nous abordons les différents aspects de la simulation numérique de modèles couplant un fluide et une structure (formulation de l'écoulement, localisation de la structure et prise en compte des interactions), puis nous présentons les modèles sur lesquels nous nous concentrons dans la suite: fluide incompressible/membrane élastique et fluide incompressible/solide rigide. Dans la deuxième partie nous étudions la stabilité numérique d'une formulation level-set de la méthode de frontière immergée pour le couplage fluide/membrane élastique. Une nouvelle condition de stabilité pour ce modèle est dérivée par analyse d'un modèle linéarisé 1D, puis validée numériquement en 2D. Enfin la troisième partie est consacrée à l'analyse numérique d'une méthode de pénalisation pour le couplage fluide/solide rigide, dans laquelle la vitesse rigide est calculée par projection. Nous montrons la convergence du problème pénalisé vers une formulation faible du couplage, et illustrons ce résultat sur des tests numériques en sédimentation.
Author: Quentin Rendu
Author: Quentin Rendu
Author: Abdelkhalak El Hami
Author: Stéphane Aubert
Author: Jérôme Giordano
Author: Lea Batteux
Author: Guillaume Delay
Author: Sai͏̈d Mounsif
Author: Gabriel St-Onge
Author: Saul Ferreira Perez
Author: Claire Bost