Modélisation et simulation de l'interaction fluide-structure élastique PDF Download
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Book Description
Une méthode complètement Eulérienne reposant sur un modèle 1-fluide est présentée afinde résoudre les problèmes d'interaction fluide-structure élastique. L'interface entre le fluideet la structure élastique est représentée par une fonction level-set, transportée par le champde vitesse du fluide et résolue par un schéma d'ordre élevé WENO 5. Les déformationsélastiques sont calculées sur la grille eulérienne à l'aide des caractéristiques rétrogrades.Nous utilisons différents modèles d'hyperélasticité, afin de générer puis d'intégrer les forcesélastiques comme terme source des équations de Navier Stokes. Le couplage vitesse/pressionest résolu par une méthode de correction de pression et les équations sont discrétisées parla méthode des volumes finis sur la grille eulérienne. La principale difficulté réside dansles grands déplacements de fluide autour du solide, source d'instabilités numériques. Afind'éviter ces problèmes, nous effectuons périodiquement une redistanciation de la level-setet une extrapolation linéaire des caractéristiques rétrogrades. Dans un premier temps,nous effectuons la vérification et la validation de notre approche à l'aide de plusieurs castests comme celui proposé par Turek. Ensuite, nous appliquons notre méthode à l'étudedu phénomène d'atténuation des vagues par des structures élastiques. Il s'agit d'une desvoies possibles pour réduire l'impact des fortes houles sur notre littoral. De plus dans lalittérature et à notre connaissance, seules des structures élastiques rigides ou élastiquesmais monodimensionnelles ont été utilisées pour réaliser ces études. Nous proposons deplacer des structures élastiques sur les fonds marins et analysons leur capacité d'absorptionde l'énergie produite par les vagues.
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Une méthode complètement Eulérienne reposant sur un modèle 1-fluide est présentée afinde résoudre les problèmes d'interaction fluide-structure élastique. L'interface entre le fluideet la structure élastique est représentée par une fonction level-set, transportée par le champde vitesse du fluide et résolue par un schéma d'ordre élevé WENO 5. Les déformationsélastiques sont calculées sur la grille eulérienne à l'aide des caractéristiques rétrogrades.Nous utilisons différents modèles d'hyperélasticité, afin de générer puis d'intégrer les forcesélastiques comme terme source des équations de Navier Stokes. Le couplage vitesse/pressionest résolu par une méthode de correction de pression et les équations sont discrétisées parla méthode des volumes finis sur la grille eulérienne. La principale difficulté réside dansles grands déplacements de fluide autour du solide, source d'instabilités numériques. Afind'éviter ces problèmes, nous effectuons périodiquement une redistanciation de la level-setet une extrapolation linéaire des caractéristiques rétrogrades. Dans un premier temps,nous effectuons la vérification et la validation de notre approche à l'aide de plusieurs castests comme celui proposé par Turek. Ensuite, nous appliquons notre méthode à l'étudedu phénomène d'atténuation des vagues par des structures élastiques. Il s'agit d'une desvoies possibles pour réduire l'impact des fortes houles sur notre littoral. De plus dans lalittérature et à notre connaissance, seules des structures élastiques rigides ou élastiquesmais monodimensionnelles ont été utilisées pour réaliser ces études. Nous proposons deplacer des structures élastiques sur les fonds marins et analysons leur capacité d'absorptionde l'énergie produite par les vagues.
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Les modèles eulériens sont devenus dans les quinze dernières années des outils populaires pour étudier les interactions fluide-structure, car, au contraire des méthodes plus classiques de type ALE, ils permettent de résoudre numériquement ces problèmes en se ramenant à une grille et une méthode de résolution unique pour les différents milieux. Ce livre s’intéresse à cette classe de modèles en adoptant le point de vue original des méthodes level-set, utilisées à la fois pour suivre les interfaces fluide-solide, représenter les contraintes élastiques des solides et modéliser les forces de contact entre solides. Il combine un éclairage mathématique des modèles, des aspects d’analyse numérique, des codes élémentaires et des illustrations numériques permettant au lecteur de se faire une idée des domaines d’application et des performances de ces modèles. Les pré-requis nécessaires pour profiter pleinement de son contenu font partie du bagage scientifique d’élèves de niveau master en mathématiques appliquées ou mécanique théorique. Il sera un outil pédagogique fructueux pour des cours de deuxième année de master ou de début de thèse, ainsi que pour des chercheurs voulant aborder ou approfondir ce domaine.
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CETTE ETUDE A POUR OBJET D'ANALYSER, DE MODELISER ET DE SIMULER DIFFERENTS PROBLEMES D'INTERACTION FLUIDE-STRUCTURE. LES DEPLACEMENTS DE LA STRUCTURE NE SONT PAS NEGLIGEABLES ET INDUISENT UNE REELLE DEFORMATION DU DOMAINE FLUIDE. LE FLUIDE EST SUPPOSE INCOMPRESSIBLE ET NEWTONIEN ; IL EST REPRESENTE DANS UNE CONFIGURATION D'EULER PAR LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. LA STRUCTURE EST SUPPOSEE ELASTIQUE, HOMOGENE ET ISOTROPE ; ELLE EST DECRITE DANS UNE CONFIGURATION DE LAGRANGE, PAR LES EQUATIONS DE L'ELASTICITE LINEARISEE. UNE METHODE ALE (ARBITRARY LAGRANGIAN EULERIAN METHOD) PERMET DE RESOUDRE LES EQUATIONS DU PROBLEME FLUIDE DANS UN DOMAINE MOBILE S'ADAPTANT AUX DEFORMATIONS DE LA STRUCTURE. DES CONDITIONS LIMITES A L'INTERFACE TRADUISENT L'INTERACTION : IL Y A EGALITE DES VITESSES ET EGALITE DES CONTRAINTES NORMALES. SUR UN MODELE SIMPLIFIE D'INTERACTION ENTRE UN FLUIDE ET UNE STRUCTURE MONODIMENSIONNELS, L'ANALYSE NUMERIQUE EN TERMES DE STABILITE, CONSISTENCE ET CONVERGENCE EST PRESENTEE POUR UN TRAITEMENT IMPLICITE DES CONDITIONS LIMITES A L'INTERFACE. LA STABILITE DE DEUX ALGORITHMES EXPLICITES EST ETUDIEE POUR CE MODELE EN VUE D'ABORDER LA SIMULATION DES PROBLEMES 2D OU 3D. EN EFFET, AFIN DE COUPLER DEUX CODES NUMERIQUES EXISTANTS SANS AVOIR DE TRANSFORMATION FONDAMENTALE A EFFECTUER, L'UTILISATION D'ALGORITHMES DECALES EST PRECONISEE ET DONNE DES RESULTATS SATISFAISANTS SUR DES MODELES D'INTERACTION 2D-FLUIDE/1D-STRUCTURE ET 3D-FLUIDE/2D-STRUCTURE. L'AVANTAGE DE TELS ALGORITHMES EST DE POUVOIR FACILEMENT MODIFIER LES CODES FLUIDE OU STRUCTURE AFIN D'ENVISAGER DES LOIS DE COMPORTEMENT DIFFERENTES EN FLUIDE OU EN STRUCTURE.
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.
Author: Lahcen Ait Moudid Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 118
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La simulation numérique de l'interaction fluide-structure par la méthode des éléments finis a été étudiée dans le cadre des équations de Navier-Stokes pour un fluide visqueux newtonien incompressible en interaction avec un solide élastique. La formulation arbitrairement lagrangienne-eulerienne (ALE) est envisagée au niveau du fluide pour mieux suivre le mouvement de la structure décrite par une formulation lagrangienne. La mobilité des géométries de chaque domaine est construite par déformation du maillage. On évalue ensuite l'efficacité de la méthode ALE pour différentes applications lorsque le mouvement de la structure est prescrit. Nous décrivons ainsi l'algorithmique nécessaire dans cette optique. Pour résoudre l'interaction, on se base sur un cas particulier. La géométrie simplifiée d'un solide immergé dans un canal est étudiée pour tester les possibilités et les limitations liées à l'algorithme mis en oeuvre pour ce type de problème d'écoulement stationnaire ou instationnaire.
Author: Georges-Henri Cottet Publisher: Springer Nature ISBN: 3031086597 Category : Mathematics Languages : en Pages : 203
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This monograph is devoted to Eulerian models for fluid-structure interaction by applying the original point of view of level set methods. In the last 15 years, Eulerian models have become popular tools for studying fluid-structure interaction problems. One major advantage compared to more conventional methods such as ALE methods is that they allow the use of a single grid and a single discretization method for the different media. Level set methods in addition provide a general framework to follow the fluid-solid interfaces, to represent the elastic stresses of solids, and to model the contact forces between solids. This book offers a combination of mathematical modeling, aspects of numerical analysis, elementary codes and numerical illustrations, providing the reader with insights into the applications and performance of these models. Assuming background at the level of a Master’s degree, Level Set Methods for Fluid-Structure Interaction provides researchers in the fields of numerical analysis of PDEs, theoretical and computational mechanics with a basic reference on the topic. Its pedagogical style and organization make it particularly suitable for graduate students and young researchers.
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Cette thèse traite des problèmes d'interaction fluide-structure. Deux familles de problèmes sont présentées : l'interaction entre une structure élastique et un fluide incompressible etl'interaction entre une structure élastique et un fluide compressible. La structure est immergée dans le fluide et l'ensemble évolue dans une cavité fixe bornée. Le mouvement du solide se compose d'un mouvement rigide (translation et rotation) et d'un mouvement élastique. Dans l'équation du mouvement solide, on ajoute un terme qui régularise la déformation élastique. Après avoir justifié le modèle étudié, on montre des résultats d'existence de solutions faibles définies tant qu'il n'y a pas de chocs entre la structure et la paroi de la cavité et tant que des conditions de non-interpénétration et de préservation de l'orientation du solide sont satisfaites.
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Cette thèse a pour objectif de modéliser le couplage fluide-structure pouvant survenir dans les faisceaux tubulaires des réacteurs nucléaires. Leurs simulations numériques directes étant hors de portée, on met en œuvre une approche multi-échelle: il s'agit de tirer profit du coût modeste d'une description macroscopique, et à la fois, de la précision des informations microscopiques. Vis-à-vis des modèles existants, le travail de développement se focalise sur la prise en compte de la convection dans le calcul des champs hydrodynamiques, mais surtout, sur la possibilité de restituer des réponses vibratoires variées au sein d'un même faisceau. L'homogénéisation aboutit à un système d'équations gouvernant les Interactions Fluide-Solide à une échelle macroscopique. Ces équations sont couplées par une source en quantité de mouvement, traduisant les charges hydrodynamiques exercées sur une structure donnée. Cette force à modéliser représente une loi de fermeture du problème homogénéisé, mettant en jeu des coefficients a priori inconnus. Une méthode d'estimation est proposée à partir des champs microscopiques obtenus par simulation directe sur un domaine réduit et représentatif du large système de référence. Les capacités prédictives du modèle homogénéisé sont évaluées en comparaison avec des données de référence, issues de calculs numériques directs microscopiques. Chaque système considéré présente une variété de réponses en déplacement que le modèle homogénéisé restitue avec un accord satisfaisant. Cette approche multi-échelle semble être un bon compromis entre le coût des réalisations numériques et la précision attendue des données vibratoires et hydrodynamiques.
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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: Julien Deborde
Author: Julien Deborde
Author: Georges-Henri Cottet
Author: VALERIE.. GUIMET
Author: Abdelkhalak El Hami
Author: Lahcen Ait Moudid
Author: Georges-Henri Cottet
Author: Mhamed Souli
Author: Muriel Boulakia
Author: Audrey Nathalie Gineau
Author: Saul Ferreira Perez