Academic literature on the topic 'Interaction fluide-structure – Ballottement (hydrodynamique)'

Cette thèse présente un modèle numérique de couplage fluide-structure pour des impacts hydrodynamiques. Ce travail de recherche s'est déroulé dans le cadre d'une collaboration avec la société Principia Marine, un bureau d'études en construction navale. L'enjeu industriel à terme est de modéliser le choc d'une vague contre une coque de navire. Dans une mer agitée ou pour une vitesse de progression importante, les impacts répétés de vagues contre la coque peuvent endommager la structure (ce phénomène est appelé "slamming" ou "tossage"). D'autres types d'impacts hydrodynamiques peuvent toutefois être évoqués comme le ballotement d'un liquide dans un réservoir à moitié rempli: pour de fortes accélérations du réservoir, le liquide peut venir, par vagues successives, frapper violemment la paroi interne du réservoir. Pour modéliser la structure et le fluide, deux approches différentes sont employées. La structure est modélisée par une formulation Lagrangienne en éléments finis. Le problème fluide est résolu par une formulation Eulérienne multi-matérielle basée sur une méthode split décomposant le pas de calcul en un cycle Lagrangien et un cycle d'advection projetant la solution Lagrangienne sur la configuration initiale. La principale problématique est de transmettre correctement les efforts d'interaction entre ces deux formulations. La méthode mise en oeuvre est un couplage par pénalisation. Un effet dissipatif est introduit dans la méthode pour amortir les oscillations numériques de fortes fréquences et une base de données pour la raideur de pénalisation est établie Pour les modélisations 3D coûteuses, une version parallèle de la formulation est décrite à travers la construction d'un cluster de processeurs et d'un algorithme d'initialisation des fractions volumiques.

Nous proposons dans ce mémoire, une formulation variationnelle symétrique qui couple la méthode variationnelle par équations intégrales et la méthode des éléments finis classique, pour l'analyse dynamique de système couplés fluide-structures. Particulièrement pour le calcul des modes de ballottement de liquides et de modes hydroélastiques de structures contenant des liquides. Les structures peuvent avoir des géométries complexes et peuvent comporter plusieurs domaines fluides avec des baffles et des raidisseurs qui baignent dans le liquide. Cette formulation évite la discrétisation du domaine fluide, ce qui constitue en soit un avantage important par rapport à la Méthode des Elements Finis (particulièrement dans le cas où le domaine occupé par le fluide est étendu et dans le cas où le géométrie du réservoir est complexe). Par rapport à la méthode de collocations, cette formulation évite d'une part le calcul de la "Partie Finie" d'intégrales singulières, ce qui facilite considérablement sa mise en œuvre numérique et conduit d'autre part, après discrétisation par une méthode d'éléments finis de frontière, à un système linéaire symétrique relativement de petite taille, ce qui permet l'utilisation d'algorithmes de résolutions performants. Cette formulation a été mise en œuvre numériquement et a donné lieu à un outil de calcul général couplant la méthode des éléments finis de frontière pour modéliser les fluides qui est développée dans ce mémoire, avec d'une part un code de calcul de structure externe et d'autre part avec un processeur graphique.

Dans cette thèse, on s’intéresse à la modélisation et à la simulation numérique de systèmes couplés fluide-structure, constitués d'une structure élastique partiellement remplie d'un liquide avec une surface libre, tenant compte des effets de ballottement et de capillarité. Le fluide interne est considéré comme linéaire, acoustique, dissipatif et la structure, à comportement élastique linéaire, est soumise à de grands déplacements induisant des non-linéarités géométriques. Le travail présenté dans ce manuscrit s'intéresse tout d’abord à l’étude théorique de ce type de système couplé fluide-structure et s'attache à la construction et à l’implémentation du modèle numérique en utilisant un modèle réduit non linéaire adapté. Ce modèle réduit permet d'effectuer les calculs dynamiques non linéaires et permet également de mieux comprendre les phénomènes liés à chaque partie du système couplé. Plusieurs applications numériques sont ensuite développées permettant l’analyse de divers phénomènes liés aux différents couplages et transferts d’énergie dans le système. Le premier axe de développement consiste en la quantification et en la réduction du temps de calcul nécessaire à la construction de la base de projection du modèle réduit pour des modèles numériques de systèmes couplés fluide-structure de très grande dimension. Une nouvelle méthodologie est présentée permettant de réduire les coûts numériques induits par la résolution de trois problèmes généralisés aux valeurs propres ne pouvant être résolus sur les ordinateurs de puissance intermédiaire. Un second axe de développement concerne la quantification de l’influence de l'opérateur de couplage entre la structure et la surface libre du liquide interne permettant de prendre en compte la condition d’angle de contact capillaire au niveau de la ligne triple tout en considérant une structure déformable. Le troisième axe est basé sur des travaux expérimentaux publiés en 1962, dans le cadre de développements de la NASA pour les lanceurs, qui ont mis en évidence un phénomène inattendu de ballottement de grande amplitude en basses-fréquences pour le liquide interne lors de l’excitation moyenne-fréquence du réservoir. On propose de revisiter et d'expliquer les causes de ce phénomène inattendu au travers d’une simulation numérique prenant en compte les non-linéarités géométriques de la structure. Enfin, un dernier axe de développement est consacré à la propagation des incertitudes non paramétriques de la structure dans le système par les différents mécanismes de couplages. La modélisation stochastique non paramétrique est celle de l'approche probabiliste non paramétrique qui utilise la théorie des matrices aléatoires. Une méthodologie permettant l’identification de l'hyperparamètre est présentée, basée sur un ensemble de données expérimentales et sur la résolution d'un problème statistique inverse. Une validation numérique de cette méthode sur un ensemble de données expérimentales simulées est présentée
In this thesis, we are interested in computationally modeling and simulating coupled fluid-structure systems constituted of an elastic structure partially filled with a fluid with a free surface, considering the effects of sloshing and capillarity. The internal fluid is linear, acoustic, dissipative, and the linear elastic structure is submitted to large displacements inducing geometrical nonlinearities. The work presented in this manuscript first details the theoretical study regarding such coupled fluid-structure systems and focuses on the construction and implementation of the computational model using an adapted nonlinear reduced-order model. This reduced-order model allows for performing the nonlinear dynamical simulations and for better understanding the phenomena related to each subset of the coupled system. Several numerical applications are then presented to analyze various phenomena related to the different coupling mechanisms and energy transfers in such fluid-structure system. The first development axis consists in quantifying and reducing the computational resources required for the construction of the projection basis of the reduced-order model when dealing with very-large dimension fluid-structure computational models. A new methodology is presented, which allows for reducing the computational costs required for solving three generalized eigenvalue problems that cannot be solved on medium-power computers. A second development axis is devoted to the quantification of the influence of the coupling operator between the structure and the free surface of the internal liquid allowing for taking into account the capillary contact angle condition on the triple line while considering a deformable structure. The third axis is based on experimental research published in 1962 in the framework of NASA researches for orbital launchers, which highlighted an unexpected phenomenon of large amplitude and low-frequency sloshing of an internal liquid for a medium-frequency excitation of the tank. We propose to revisit these experimental results and to explain the causes of such unexpected phenomenon through a numerical simulation taking into account the geometrical nonlinearities of the structure. Finally, the last development axis is devoted to the propagation of nonparametric uncertainties of the structure in the system by the different coupling mechanisms. The nonparametric stochastic model is the nonparametric probabilistic approach using the random matrix theory. A methodology for identifying the hyperparameter is presented, based on an experimental data set and on an inverse statistical problem. A numerical validation of this method on a simulated experimental data set is presented

Dans cette thèse, les algorithmes numériques pour la simulation des problèmes d'interaction fluide-structure, basés sur la formulation Lagrangienne pour la structure, et la formulation Arbitraire Euler Lagrange pour le fluide, ont été validés sur des cas simples, structure rigide ou linéaire élastique, permettant de comparer les résultats numériques aux résultats théoriques et expérimentaux existants. Ces algorithmes ont été appliquées à des cas concrets, où les non linéarités géométrique et matérielle de la structure et le comportement non linéaire du ballottement du liquide sont pris en considération. Les simulations numériques permettent d’évaluer le comportement réel d’un réservoir cylindrique contenant un fluide, en contact avec le sol, et soumis à des mouvements à partir de sa base. Les codes de conception sismique définissent généralement le mouvement du sol lors d’un séisme, sous forme de réponse en accélération. Les courbes d’accélération sont généralement déterminées en utilisant les techniques basées sur les méthodes spectrales compatibles avec le code Sismique Turc (2007). En plus des deux composants horizontales du mouvement du sol, la composante verticale est prise en considération afin de déterminer l'importance du mouvement vertical relatif au sol sur les comportements des réservoirs avec ancrage et sans ancrage. Pour répondre à la question clé, concernant l’importance de l’ancrage des réservoirs de stockage, afin d’éviter fracture et fissure de la structure, des simulations numériques sont réalisées sur le même modèle de réservoir avec deux conditions de support différents, avec ancrage et sans ancrage
In this thesis, fluid-structure interaction algorithms based on the Lagrangian formulation for the structure and the Arbitrary Lagragian Eulerian formulation for the fluid have been used. These algorithms can take into account the effects of geometric and material nonlinearities of the tank and nonlinear sloshing behavior of contained liquid is utilized to evaluate the actual behavior of steel cylindrical ground supported liquid storage tanks when subjected to realistic base motions. Since seismic design codes generally define ground shaking in the form of an acceleration response spectrum, earthquake ground motions is selected and processed using spectrum matching techniques in time domain to be compatible with the Turkish Seismic Design Code (2007) spectra. In addition to two horizontal components of ground motion, the vertical component is also taken into account in order to determine relative importance of vertical ground motion on the behaviors of anchored and unanchored tanks. In order to clarify the key question of tank problems whether anchoring would prevent earthquake damage to the tank, numerical analyses are carried out on the same tank model having two different support conditions: anchored and unanchored. The consistency of the provisions presented in current tank seismic design codes and finite element method analysis results are evaluated and recommendations on seismic tank design codes are presented

Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur l'étude du phénomène d'impact hydrodynamique et sa modélisation. Une revue bibliographique des modèles pouvant être utilisés pour rendre compte de ce phénomène est proposée. Un modèle, dit modèle de Wagner généralisé, est ensuite développé. Proposé originellement par Zhao et Faltinsen en 1996 pour traiter de l'impact de formes 2D symétriques, il est ici étendu à des formes asymétriques et analysé de manière approfondie. Ce modèle est ensuite utilisé dans une approche couplée, pour rendre compte du comportement élastique de structures simples, se déformant au cours de l'impact. Enfin, les résultats de deux campagnes expérimentales sont présentés. La première campagne porte sur l'étude de l'impact d'une sphère élastique de taille réduite. La seconde traite de l'impact sur l'eau d'un système de flottabilité réel d'hélicoptère. Dans les deux cas, des modèles numériques sont utilisés pour tenter de reproduire au mieux l'évolution de chacun des systèmes.

L’émergence de bruits auparavant inaudibles dans les réservoirs à carburants automobiles requiert des constructeurs une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenants au sein de leurs produits. Dans cette thèse, différents travaux ont été conduits autour de l’étude du ballottement de fluide dans une cuve rigide rectangulaire partiellement remplie de fluide et soumise à une excitation extérieure. La première partie présente un état de l’art sur le sloshing suivant trois approches complémentaires - approche analytique, approche numérique et approche expérimentale - permettant d’orienter les travaux. Dans une deuxième partie, une étude préliminaire sur le sloshing dans une cuve rectangulaire soumise à une excitation harmonique forcée est réalisée. La confrontation des résultats numériques entre une approche linéaire - basée sur la théorie d’écoulement potentiel tenant compte de la viscosité du fluide [Schotté et Ohayon, 2013] - et une approche non linéaire commerciale – basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes - permet de définir un paramètre de linéarité. Ce dernier permet de déterminer les cas de sloshing qui nécessitent une résolution non linéaire et ceux pour lesquels la théorie linéaire suffit pour prédire le phénomène. La troisième partie de ce document présente une étude expérimentale du ballottement de fluide dans une cuve rectangulaire rigide soumise à un freinage automobile. Deux niveaux de remplissage créant deux types d’impacts contre les parois (avec et sans enfermement de poche d’air) ont été analysés. Les essais menés ont permis de mesurer les forces engendrées par le mouvement du fluide, les pressions d’impact en paroi ainsi que le champ de vitesse par méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Ce chapitre constitue une importante base de données expérimentales ayant permis d’étudier précisément le phénomène physique. L’étude est complétée par une confrontation des résultats expérimentaux avec des résultats Computational Fluid Dynamics (CFD). Enfin, pour conclure ce mémoire, une étude du sloshing dans un réservoir en tenant compte de la Fluid-Structure Interaction (FSI) est présentée. Le choix du couplage a été porté sur un schéma partitionné itératif faible avec, dans un premier temps, une approche potentielle instationnaire, puis avec une approche Volume Of Fluid (VOF) pour la physique fluide. Les limites d’un tel couplage dans le cas d’étude d’un réservoir partiellement rempli de fluide et attaché de manière flexible en fonction du rapport de masse fluide-réservoir ont été mises en évidence. La correction du schéma de couplage par l’effet de masse ajoutée présentée dans [Song et al., 2013] permet la résolution d’un système couplé quel que soit le rapport de masse en jeu et améliore de manière significative la convergence en réduisant également fortement le temps de calcul
The present thesis focuses on an investigation of the sloshing phenomenon in a partially filled fuel tank submitted to a harmonic excitation motion. In the first part, the confrontation of numerical results between a linear approach - taking into account viscosity - and a nonlinear approach based on a commercial code leads to define a parameter of linearity. This parameter allows determining cases of sloshing who require non-linear resolution and those who need a linear theory to predict the phenomenon. An experimental study of fluid sloshing in a rectangular tank submitted to an automotive braking is conducted. Tests leaded allow measuring global forces engendered by the motion of the fluid, pressure of fluid impact and velocity field by PIV. This chapter provides an important data base and helps to investigate on the physical phenomenon. This study is completed by CFD results. To conclude, a numerical model for fluid-structure interactions is presented. Limits of this segregated partitioned coupling in case of sloshing in tank flexibly attached are highlighted, depending mostly on the mass ratio between fluid and tank structure. An added-mass term is integrated to the corrected staggered scheme ensuring systematically the convergence of the coupled solution and reducing significantly the iterations required

Ce travail de thèse porte sur les outils statistiques pour l'évaluation des maxima de charges de sloshing dans les cuves de méthaniers. Selon les caractéristiques du navire, son chargement et les conditions de navigation, un ballotement hydrodynamique est observé à l'intérieur des cuves, phénomène communément appelé sloshing. La détermination des charges qui s'appliquent à la structure est basée sur des mesures de pression d'impact au moyen d'essais sur maquette. Les maxima de pression par impact, extraits des mesures, sont étudiés. La durée d'un essai est équivalente à 5 heures au réel et insuffisante pour déterminer des maxima de pression associés à de grandes périodes de retour (40 ans). Un modèle probabiliste est nécessaire pour extrapoler les maxima de pression. Le modèle usuel est une loi de Weibull. Comme ce sont les valeurs extrêmes des échantillons qui nous intéressent, les ajustements sont aussi effectués par les lois des valeurs extrêmes et de Pareto généralisées via les méthodes de maximum par bloc et d'excès au-dessus d'un seuil.L'originalité du travail repose sur l'emploi d'un système alternatif, plus pertinent pour la capture des maxima de pression et d'une quantité de 480 heures de mesures disponible pour les mêmes conditions d'essai. Cela fournit une distribution de référence pour les maxima de pression et nous permet d'évaluer la pertinence des modèles sélectionnés. Nous insistons sur l'importance d'évaluer la qualité des ajustements par des tests statistiques et de quantifier les incertitudes sur les estimations obtenues. La méthodologie fournie a été implémentée dans un logiciel nommé Stat_R qui facilite la manipulation et le traitement des résultats
This thesis focuses on statistical tools for the assessment of maxima sloshing loads in LNG tanks. According to ship features, tank cargo and sailing conditions, a sloshing phenomenon is observed inside LNG tanks. The determination of sloshing loads supported by the tank structure is derived from impact pressure measurements performed on a test rig. Pressure maxima per impact, extracted from test measurements, are investigated. Test duration is equivalent to 5 hours in full scale. This duration is not sufficient to determine pressure maxima associated with high return periods (40 years). It is necessary to use a probabilistic model in order to extrapolate pressure maxima. Usually, a Weibull model is used. As we focus on extreme values from samples, fittings are also performed with the generalized extreme value distribution and the generalized Pareto distribution using block maximum method and peaks over threshold method.The originality of this work is based on the use of an alternate measurement system which is more relevant than usual measurement system to get pressure maxima and a 480 hours measured data available for same test conditions. This provides a reference distribution for pressure maxima which is used to assess the relevance of the selected probabilistic models. Particular attention is paid to the assessment of fittings quality using statistical tests and to the quantification of uncertainties on estimated values.The provided methodology has been implemented in a software called Stat_R which makes the manipulation and the treatment of results easier

Cette thèse vise à développer un modèle numérique permettant la simulation tridimensionnelle de l'impact d'un corps, solide ou déformable, sur la surface d'un fluide. Une des applications de ce travail est l'étude du phénomène de tossage (slamming) : impact d'une zone de la carène d'un navire sur la surface de l'océan. La modélisation proposée repose sur une analyse de la théorie du potentiel. Lorsque la forme du corps est suffisamment "plate" au voisinage du point d'impact initial, la méthode des développements asymptotiques raccordés permet alors de définir une solution composite intégrant d'une part le comportement de l'écoulement global autour du corps, et d'autre part, celui au voisinage de l'intersection entre la surface et le corps, là ou se forme le jet. La méthode des Eléments Finis (MEF) est mise en oeuvre pour résoudre le problème fluide asymptotique bidimensionnel, et tridimensionnel. La résolution de l'équation de Laplace avec des conditions aux limites mixtes Neuman-Dirichlet est effectuée pour le potentiel des déplacements (détermination de la surface de contact) et pour le potentiel des vitesses (évaluation des pressions). .
The purpose of this study is to develop and validate a numerical tool to simulate the three-dimensional problem of a rigid or deformable blunt body penetrating a free surface. The hydrodynamic impact problem is considered in connection with its application to model locally ship slamming. .

Les travaux présentés portent sur l'étude du power take off d'un système houlomoteur. Celui-ci est constitué d'un ensemble de bassins connectés entre eux via des clapets souples assurant une circulation à sens unique. Les mouvements de la plate-forme sur laquelle le système est installé induisent un phénomène de ballottement du fluide présent dans ces bassins. Les vagues ainsi générées viennent alors alimenter une cuve cylindrique dont le fond est percé d'un orifice central. Le fluide injecté dans ce réservoir engendre un écoulement de type tourbillon de vidange, dont l’énergie cinétique est extraite par une turbine à axe vertical. La première phase de ces travaux se concentre sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement stationnaire. L'évolution du champ de vitesse dans le bassin, avec et sans turbine, est étudié par particle image velocimetry (PIV). En parallèle, la puissance délivrée par la turbine et la hauteur d'eau dans le bassin sont mesurées. Ces résultats sont utilisés pour définir les hypothèses de départ pour la création d'un modèle numérique. La deuxième phase de ces travaux porte sur l'étude expérimentale du tourbillon de vidange en écoulement instationnaire. Un second dispositif de mesure est spécialement construit et instrumenté. Ce dernier permet de modéliser plus fidèlement l'écoulement rencontré dans le système houlomoteur. La méthode PIV est de nouveau utilisée. La dernière phase des travaux porte sur la modélisation numérique de la turbine à axe vertical. Le modèle développé se fonde sur la théorie des écoulements potentiels et prend en compte les effets 3D. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux
The present work aims at studying the power take-off of a wave energy converter (WEC). This system is composed of a set of connected tanks. Rubber flaps are installed at tanks inlet and outlet to ensure a one-way flow direction. Thanks to wave induced motions of the supporting platform, sloshing appears inside the WEC tanks which feed a cylindrical basin with a centered drain hole at its bottom. Then, a bathtub vortex flow appears within this tank, where a vertical axis turbine is installed to harvest kinetic energy from the flow. The first phase of this research focuses on studying the steady bathtub flow. To do so, a dedicated experiment is built. Velocity field within the cylindrical basin, with and without the turbine, is studied via Particle Image Velocimetry (PIV). In addition, power production from the turbine and water level inside the tank are measured. These results are used to define starting hypothesis for developing a numerical model of the turbine. The second phase of this research focuses on studying the unsteady bathtub flow. For this purpose, a second experiment is built. This setup provides a more realistic environment, closer to what can be observed with the WEC system. PIV measurements are also used extensively to study the flow with and without the turbine. The last stage of this research focuses on the numerical modelling of the vertical axis turbine. The model is based on the potential flow theory. First, a two-dimensional approach is used to validate the early pieces of the model. Secondly, a three-dimensional approach is adopted to account for more complex flow features. Finally, numerical and experiment results are compared