ETUDE NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT VISQUEUX AUTOUR D'UNE CARENE DE NAVIRE EN PRESENCE D'UNE SURFACE LIBRE PDF Download
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NOUS PRESENTONS DEUX METHODES DE CALCUL NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT D'UN FLUIDE VISQUEUX INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UNE CARENE DE NAVIRE. LA PREMIERE REPOSE SUR LA NOTION DE COUPLAGE FLUIDE PARFAIT-COUCHE LIMITE ET UTILISE LE CONCEPT DES VITESSES DE TRANSPIRATION. LA SECONDE EST FONDEE SUR LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES POUR UN ECOULEMENT A SURFACE LIBRE TURBULENT
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NOUS PRESENTONS DEUX METHODES DE CALCUL NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT D'UN FLUIDE VISQUEUX INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UNE CARENE DE NAVIRE. LA PREMIERE REPOSE SUR LA NOTION DE COUPLAGE FLUIDE PARFAIT-COUCHE LIMITE ET UTILISE LE CONCEPT DES VITESSES DE TRANSPIRATION. LA SECONDE EST FONDEE SUR LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES POUR UN ECOULEMENT A SURFACE LIBRE TURBULENT
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Le travail présenté dans ce manuscrit est dédié au développement d’un outil numérique destiné à la simulation de l’écoulement visqueux autour de structures marines soumises à une houle quelconque. Ce type de simulations est difficilement accessible par les codes de calcul fondés sur la résolution des équations de Navier-Stokes et c’est pour surmonter cette incapacité qu’une nouvelle formulation nommée par la suite SWENSE (Spectral Wave Explicit Navier-Stokes Equations) est développée ici en modifiant le problème initial pour ne résoudre que le champ diffracté en fluide visqueux. Cela consiste à décomposer les inconnues principales du problème en la somme d'un terme incident et d'un terme diffracté. Les termes incidents étant connus explicitement par l’intermédiaire d’un modèle potentiel non-linéaire, les termes diffractés sont alors calculés grâce aux équations SWENSE. Deux modèles de champ incident sont mis en œuvre : la méthode de Rienecker et Fenton pour les houles régulières non-linéaires et la méthode HOS (High-Order Spectral) pour tous les autres cas de houles non-déferlantes. La méthode de décomposition du champ est validée par comparaison à des codes de calcul potentiels et Navier-Stokes ainsi qu’à des données expérimentales. Les applications portent sur des carènes de navire (DTMB, Série60, Wigley) et des structures offshores (colonne circulaire verticale, TLP) pour diverses conditions de houle incidente allant de la houle régulière au paquet de vagues focalisé. Les résultats obtenus montrent la capacité de la méthode de traiter, en hypothèse de fluide visqueux, les interactions avec des houles complexes, tout en diminuant sensiblement le temps de calcul.
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La stabilité d’écoulements de couche limite décollés est étudiée par le biais de la simulation numérique. Le décollement est provoqué par une bosse montée sur une plaque plane. D’abord, un algorithme de résolution des équations de Navier-Stokes bidimensionnelles, basé sur un changement de variable, a été élaboré et validé. Au-delà d’un nombre de Reynolds critique, des oscillations auto-induites, caractérisées par des lâchers de tourbillons apériodiques, apparaissent. Il est montré que les écoulements stationnaires obtenus en deçà du nombre de Reynolds critique sont convectivement instable et que l’instabilité globale n’est pas reliée à des caractéristiques locales d’instabilités. Extrapolant l’écoulement au-delà du nombre de Reynolds critique, des éléments dont donnés afin de conforter l’hypothèse que l’instabilité globale observée coïncide avec des changements topologiques près du point de recollement menant à la rupture d’une zone de recirculation très allongée. L’utilisation d’une seconde bosse, localisée en aval de la première, a permis de stabiliser la bulle de recirculation. L’écoulement reste stationnaire, pour des nombre de Reynolds croissants jusqu’à l’obtention d’une région locale absolument instable. Les oscillations, non linéaires et saturées, sont strictement périodiques et il est montré que des critères de sélection de fréquence prédisent avec exactitude la fréquence globale. Une extension de l’algorithme de résolution des équations de Navier-Stokes dans la direction transverse de l’écoulement a ensuite permis de mettre en évidence l’apparition d’une perturbation tridimensionnelle stationnaire lors de l’augmentation du nombre de Reynolds.
Author: Antoine Garapon (physicien).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 167
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UNE METHODE EULERIENNE A MAILLAGE ADAPTATIF EST UTILISEE POUR MODELISER UN ECOULEMENT DE FLUIDE VISQUEUX, INCOMPRESSIBLE ET TURBULENT AUTOUR D'UN PROFIL BIDIMENSIONNEL PLACE SOUS LA SURFACE LIBRE. LA FERMETURE DES EQUATIONS EST ASSUREE PAR LE MODELE DE TURBULENCE DE -. LA DISCRETISATION DES EQUATIONS DE TRANSPORT EST EFFECTUEE PAR LE SCHEMA UNIEXPONENTIEL, L'EQUATION DE PRESSION EST OBTENUE PAR LA RECONSTRUCTION DE RHYE & CHOW, ENFIN, L'ALGORITHME PISO ASSURE LE COUPLAGE VITESSE-PRESSION. L'APPLICATION DE CETTE METHODE A L'ETUDE DE L'ECOULEMENT TRIDIMENSIONNEL AUTOUR D'UNE CARENE DE SERIES 60 CONDUISANT A L'ECHEC, UNE NOUVELLE METHODE DE PRISE EN COMPTE DE LA SURFACE LIBRE A ETE DEVELOPPEE. CETTE METHODE A ETE ENSUITE VALIDEE ET COMPAREE AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ET NUMERIQUES PROVENANT DE L'ATELIER DE TOKYO (1994)
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POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT, ON SE PROPOSE DANS UNE PREMIERE APPROCHE DE MODELISER DES ECOULEMENTS BIDIMENSIONNELS VERTICAUX EN METTANT EN OEUVRE UN PROGRAMME DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE LA MECANIQUE DES FLUIDES QUI UTILISE UNE FORMULATION A.L.E. (ARBITRARY LAGRANGIAN EULERIAN), TECHNIQUE PARTICULIEREMENT BIEN ADAPTEE AUX PROBLEMES A SURFACE LIBRE. UNE ETUDE NUMERIQUE INTRINSEQUE DE CONVERGENCE PORTANT SUR LE CODE A PERMIS D'UNE PART DE FIXER LES PARAMETRES DE DISCRETISATION ET, D'AUTRE PART, DE CHOISIR LA TECHNIQUE D'INTERPOLATION POUR LA DEFINITION DE LA SURFACE LIBRE, LE SCHEMA CONVECTIF ET LE SCHEMA D'EVOLUTION DE LA SURFACE LIBRE AU VOISINAGE D'UNE PAROI. L'ETUDE DE LA PROPAGATION D'UNE ONDE SOLITAIRE A SERVI DE CAS TEST. LES COMPARAISONS DES RESULTATS OBTENUS AVEC CEUX D'ORIGINE EXPERIMENTALE ET ANALYTIQUE D'AUTRES AUTEURS SONT SATISFAISANTES. A PARTIR DE LA NOUS AVONS TRAITE TROIS ASPECTS D'UN PROBLEME IMPORTANT POUR LA DYNAMIQUE SEDIMENTAIRE: LA DETERMINATION DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT. NOUS AVONS REPRODUIT LA CONFIGURATION EXPERIMENTALE DU CANAL A HOULE DU LABORATOIRE DE MECANIQUE DES FLUIDES ET GENIE CIVIL DU HAVRE QUI TRAVAILLE AVEC LE MEME OBJECTIF. POUR UN ECOULEMENT DE HOULE SEULE, LES RESULTATS OBTENUS PAR LA MODELISATION NUMERIQUE SONT SATISFAISANTS, COMPARES AUX RESULTATS ANALYTIQUES DISPONIBLES. POUR UN ECOULEMENT DE COURANT SEUL, LES RESULTATS SONT EGALEMENT EN BON ACCORD AVEC LES RELATIONS FOURNIES PAR LA BIBLIOGRAPHIE EXISTANTE, CETTE ETUDE A NOTAMMENT PERMIS DE PRECISER LES VALEURS DU COEFFICIENT DE CHEZY. ENFIN, LES PREMIERES SIMULATIONS D'ECOULEMENTS COMBINES DE HOULE ET DE COURANT ONT ETE FAITES. LA COMPARAISON AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX APPARAIT SATISFAISANTE POUR UN ECOULEMENT DE HOULE DOMINANT
Author: André Carrau Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 172
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AU COURS DE LA PHASE DE RENTREE, DU FAIT DE L'ABLATION, DES RUGOSITES APPARAISSENT A LA SURFACE DU CORPS QUI CHANGENT L'ECOULEMENT DANS LA COUCHE LIMITE. CES RUGOSITES ONT UNE TAILLE TRES PETITE PAR RAPPORT AUX DIMENSIONS CARACTERISTIQUES DE LA COUCHE LIMITE. DE CE FAIT, UNE DESCRIPTION PRECISE DE LEUR GEOMETRIE ET DE LEUR INFLUENCE SUR L'ECOULEMENT A TRAVERS UNE SOLUTION DIRECTE DES EQUATIONS DE NAVIER STOKES EST HORS D'ATTEINT. NOTRE ETUDE PRESENTE UN MODELE QUI PERMET DE PRENDRE EN COMPTE LES RUGOSITES TOUT EN EVITANT UNE DESCRIPTION MICROSCOPIQUE. CE MODELE CONSISTE A TRAITER SEPAREMENT DEUX ZONES DANS L'ECOULEMENT AU-DESSUS DE LA SURFACE RUGUEUSE. LE PROBLEME LOCAL PROCHE DE LA PAROI EST MODELISE PAR UNE METHODE D'HOMOGENISATION. ON MONTRE QUE GRACE A CETTE METHODE CE PROBLEME LOCAL SE REDUIT A UN PROBLEME STANDARD DE NAVIER STOKES COMPRESSIBLE SUR UNE CELLULE CONTENANT UNE RUGOSITE AVEC DES CONDITIONS AUX LIMITES PERIODIQUES SUR LES COTES DE LA CELLULE ET FLUX IMPOSE CONSTANT SUR LA FACE SUPERIEURE. CE CALCUL LOCAL NOUS PERMET D'OBTENIR NUMERIQUEMENT UNE LOI DE FROTTEMENT HOMOGENEISEE. CETTE LOI NON LINEAIRE FOURNIT LES CONDITIONS AUX LIMITES POUR UN CALCUL GLOBAL QUI UTILISE LES EQUATIONS DE NAVIER STOKES PARABOLISEES. POUR JUSTIFIER LA VALIDITE DE L'APPROCHE LOCALE, UNE ETUDE THEORIQUE A ETE REALISEE POUR UN ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE ET ON MONTRE L'EXISTENCE D'UNE SOLUTION LOCALE ET SON UNICITE POUR DES NOMBRES DE REYNOLDS BAS. UNE BELLE METHODE A ETE MISE EN PLACE NUMERIQUEMENT EN DIMENSION DEUX POUR DES ECOULEMENTS LAMINAIRES ET TURBULENTS, LA TURBULENCE ETANT MODELISEE PAR UN MODELE DE BALDWIN LOMAX
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Dans ce mémoire, il est présenté le développement d'un outil numérique destiné à la simulation d'écoulements quelconques à surface libre. Cet outil se caractérise par l'emploi d'une méthode fortement couplée pour la résolution des équations de Navier-Stokes et par l'utilisation d'une technique dite de capture d'interface pour localiser la surface libre. Dans la première partie de l'ouvrage, la validation de la technique de capture d'interface est réalisée. Brièvement, cette technique consiste à simuler l'écoulement d'un seul fluide dont les caractéristiques physiques (viscosité et masse volumique) varient au travers d'une zone de transition : zone supposée coïncider avec la surface libre. La localisation de celle-ci est réalisée par la valeur d'un indicateur : la fraction de volume. L'évolution temporelle et spatiale de cette zone est obtenue par la résolution d'une équation de convection. La résolution de cette équation est implicite et ne nécessite pas de reconstruction d'interface. La seconde partie du document présente une description détaillée de la discrétisation des équations de Navier-Stokes utilisée et de la construction du système numérique. Dans cette partie, nous présentons et décrivons deux formulations numériques du problème se distinguant par une prise en compte différente du terme de masse volumique. Puis, la question de la compatibilité entre les discrétisations des équations de conservation est traitée. Enfin, pour conclure le mémoire, les outils numériques présentés sont validés par comparaison avec des résultats expérimentaux pour une grande variété de problèmes : sloshing, effondrement d'une colonne d'eau, instabilités de Rayleigh-Taylor, écoulement autour d'un profil immergé et la génération de houle. Enfin, quelques applications tridimensionnelles comme l'écoulement autour d'une carène sont décrites.
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La simulation numérique d'un écoulement visqueux incompressible autour d'un obstacle est réalisée par la résolution des équations de navier stokes bimensionnelles incompressibles instationnaires par une méthode spectrale. Pour tenir compte des conditions aux limites on utilise un opérateur de projection qu'on applique au champ de vitesse. cette méthode s'inspire de celle introduite par Basdevant et Sadourny en (1984). les résultats d'expériences a moyens et grands nombres de Reynolds ont montre la validité du modèle en comparaison avec des résultats numériques et physiques.
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SUR LES NAVIRES DONT LES LIGNES D'ARBRES SONT PORTEES PAR DES CHAISES, L'ECOULEMENT EST PERTURBE EN AMONT DE L'HELICE PAR LA PRESENCE DE LA CARENE ET DE SES APPENDICES (LIGNE D'ARBRES, CHAISE ET BRAS DE CHAISE). CETTE ETUDE A POUR BUT LA MODELISATION DE L'ECOULEMENT AUTOUR DE LA CARENE AVEC APPENDICES ET L'EVALUATION DES EFFETS D'ECHELLE. DES ESSAIS MENES EN TUNNEL HYDRODYNAMIQUE, POUR 3 NOMBRES DE REYNOLDS, SUR 2 MAQUETTES D'UN AVISO ESCORTEUR, L'UNE POURVUE D'APPENDICES ET L'AUTRE SANS, ONT SERVI DE REFERENCE POUR L'IDENTIFICATION D'EFFETS D'ECHELLE ET D'APPENDICES. AU TERME DE CE TRAVAIL, IL A ETE POSSIBLE DE SUPPOSER L'EXISTENCE D'UN COUPLAGE ENTRE LE SILLAGE DE LA CARENE ET CELUI DE LA LIGNE D'ARBRES. AFIN DE VERIFIER CETTE HYPOTHESE, UN ESSAI A ETE REALISE EN UN TUNNEL HYDRODYNAMIQUE SUR UNE REPRESENTATION SIMPLIFIEE DES APPENDICES. UN CYLINDRE (REPRESENTANT LA LIGNE D'ARBRES) EST SOLIDAIRE DU PLAFOND DE VEINE (REPRESENTANT LA CARENE). LE BUT DE CET ESSAI EST DE CARACTERISER LE SILLAGE DU CYLINDRE EN FONCTION DE L'INCLINAISON DE CE DERNIER PAR RAPPORT AU CHAMP DE VITESSE INCIDENT ET L'EPAISSEUR DE COUCHE LIMITE DU PLAFOND DE VEINE EN AMONT DE LA LIAISON CYLINDRE/PLAFOND. EN PARALLELE, UNE ETUDE NUMERIQUE A PERMIS LA MODELISATION DE L'ECOULEMENT AUTOUR DE LA REPRESENTATION SIMPLIFIEE DES APPENDICES AU MOYEN D'UN CODE NAVIER-STOKES AVEC UN MAILLAGE NON STRUCTURE. PAR LA SUITE, UNE MODELISATION PAR CHAMP DE FORCE A ETE EMPLOYEE POUR REPRESENTER LE CYLINDRE. EN VUE DE LA MODELISATION DE L'ECOULEMENT AUTOUR DE LA CARENE AVEC APPENDICES, UNE PREMIERE APPROCHE A CONSISTE A DETERMINER LE SILLAGE DE LA CARENE SANS APPENDICES. CE CALCUL A ETE REALISE AU MOYEN DE CODES NAVIER-STOKES EN VERSION STRUCTUREE ET NON STRUCTUREE EN MAILLANT LE DOMAINE FLUIDE 3D AUTOUR DE LA CARENE ENTIERE ET DE L'ARRIERE-CORPS SEUL. ENFIN, LES APPENDICES ONT ETE INTEGRES SUR LA CARENE A L'AIDE D'UNE REPRESENTATION PAR CHAMP DE FORCE, PUIS GEOMETRIQUE EN EMPLOYANT UN MAILLAGE HYBRIDE.
Author: Bertrand Alessandrini
Author: Bertrand Alessandrini
Author: Bertrand Alessandrini
Author: Romain Luquet
Author: Matthieu Marquillie
Author: Antoine Garapon (physicien).)
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Author: André Carrau
Author: Yann Andrillon
Author: Abdelaziz Jali
Author: JEAN-CHRISTOPHE.. PINARD