Dissertations / Theses: 'Interaction fluide-structure – Ballottement (hydrodynamique)'

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Aquelet, Nicolas. "Modélisation de l'impact hydrodynamique par un couplage fluide-structure." Lille 1, 2004. https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/Th_Num/2004/50376-2004-Aquelet.pdf.

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Abstract:

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.

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Omrani, Abderrazak. "Calcul de modes de ballottement de liquides et de modes hydroélastiques de réservoirs par une méthode d'éléments finis de frontière : application à l'industrie aérospatiale." Compiègne, 1992. http://www.theses.fr/1992COMPD503.

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Abstract:

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.

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Akkaoui, Quentin. "Computational dynamics of geometrically nonlinear structures coupled with acoustic fluids in presence of sloshing and capillarity : uncertainty quantification." Thesis, Paris Est, 2019. http://www.theses.fr/2019PESC2001.

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Abstract:

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

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Ozdemir, Zuhal. "Interaction fluide structure et analyse sismique pour les déformations non linéaires de réservoirs." Thesis, Lille 1, 2010. http://www.theses.fr/2010LIL10003/document.

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Abstract:

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

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Malleron, Nicolas. "Contribution à l'étude des interactions fluide-structure pour l'analyse de l'impact hydrodynamique d'un système de flottabilité d'hélicoptère." Phd thesis, Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00457018.

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Abstract:

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.

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Brandely, Anaïs. "Étude du ballottement de fluide dans les réservoirs à carburant : approches numérique et expérimentale." Thesis, Compiègne, 2016. http://www.theses.fr/2016COMP2274/document.

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Abstract:

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

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Fillon, Blandine. "Développement d'un outil statistique pour évaluer les charges maximales subies par l'isolation d'une cuve de méthanier au cours de sa période d'exploitation." Thesis, Poitiers, 2014. http://www.theses.fr/2014POIT2337/document.

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Abstract:

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

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Donguy, Bundi. "Etude de l'interaction fluide structure lors de l'impact hydrodynamique." Nantes, 2002. http://www.theses.fr/2002NANT2019.

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Abstract:

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. .

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Podeur, Vincent. "Modélisation expérimentale et numérique du power take-off d’un bassin houlomoteur." Electronic Thesis or Diss., Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2022. http://www.theses.fr/2022ENTA0005.

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Abstract:

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

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Paré-Lambert, Olivier. "Étude de l'extraction d'énergie du phénomène de Vibrations Induites par Vortex (VIV) lorsque deux cylindres sont placés de façon cruciforme." Master's thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/67578.

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Pernod, Laëtitia. "Simulations couplées fluide-structure et étude expérimentale d’un hydrofoil composite sous écoulement hydrodynamique." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2019. http://www.theses.fr/2019ECDN0008/document.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration CIFRE entre Naval Group, le Laboratoire d’Hydrodynamique, d’Energétique et d’Environnement Atmosphérique (LHEEA) de l’Ecole Centrale de Nantes et de l’Institut de Génie des Matériaux (GeM) de l’ICAM de Nantes, sur la problématique de développement d’hélices marines plus efficaces, plus discrètes, et plus respectueuses de l’environnement. Une des solutions passe par le développement de structures composites plus légères et plus flexibles, capables de se déformer passivement pour s’auto-adapter à l’écoulement incident grâce à leurs propriétés spécifiques de couplage flexion-torsion. En lien direct avec cette problématique, nous avons réalisé les travaux de thèse en deux temps. Nous avons dans un premier temps mis en place, montré la faisabilité et validé une méthode de couplage numérique fluidestructure implicite fort entre les codes commerciaux de CFD Starccm+ et de CSD Abaqus pour un cas d'application issu de résultats expérimentaux disponibles dans la littérature sur deux hydrofoils flexibles déformables. Puis dans un second temps nous avons développé, réalisé et testé, dans le tunnel hydrodynamique de l’Ecole Navale, un profil portant composite spécifiquement conçu pour s’approcher du comportement d’une hélice. L’étude expérimentale et numérique de cette configuration nous a permis i) d’éprouver l'utilisation en milieu académique et industriel de nouvelles méthodes expérimentales d'instrumentation d'une pièce composite par insertion directe de fibres optiques dans les plis de composite, et d'une méthode mixte numérique - expérimentale de calibration fine d'un modèle numérique structure ; ii) d’apporter un éclairage sur la physique de l'interaction fluidestructure se produisant sur une surface portante composite ; et iii) de préciser les limitations actuelles concernant la diffusion en milieu industriel de cette méthode de couplage numérique fluide-structure
This Ph.D is sponsored by the French company Naval Group in collaboration with LHEEA Laboratory from Ecole Centrale de Nantes and GeM Institute from ICAM de Nantes, and deals with the development of new composite marine propellers with improved efficiency, improved acoustic discretion and more environment-friendly. One of the key solutions lies in the application of composite materials to marine structures, in order to benefit from their reduced weight, increased flexibility and bend-twist coupling capacity. Indeed, the latter enables the shape-adaptability of the structure to passively adapt to the incoming flow. To meet this challenge, we first set-up a tightly coupled numerical fluid-structure method using two commercial CFD (Starccm+) and CSD (Abaqus) solvers on two flexible hydrofoils and we validated this method against experimental results available in the literature. Second, we specifically developed a composite hydrofoil to behave closely like a marine propeller and tested it in the hydrodynamic tunnel of the Ecole Navale. Thanks to the combined experimental and numerical analysis of this composite hydrofoil we reached the following conclusions: i) we helped demonstrate the industrial application of a state-of-the-art strain measurement technique using optical fibers directly embedded within the composite plies, ii) we provided some insights into the physics of the fluid-structure interaction occurring on composite hydrofoils and iii) we presented the current limitations of this coupled numerical fluid-structure method relatively to its industrial application

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Boëdec, Gwenn. "Modélisation d'une vésicule sous forçage hydrodynamique." Thesis, Aix-Marseille 3, 2011. http://www.theses.fr/2011AIX30025.

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Abstract:

Les vésicules sont des gouttes immergées dans un fluide externe visqueux, dont le rayon vautquelques dizaines de micromètres et entourées par une membrane imperméable constituée de lipides, dont l’épaisseur est approximativement 4 nm. La membrane d’une vésicule est un systèmeoriginal du point de vue mécanique : celle-ci présente à la fois des propriétés fluides (les lipidespeuvent s’écouler librement le long de la membrane, mais la surface est incompressible locale-ment) et des propriétés solides (la membrane résiste à la flexion). Les propriétés spécifiques de lamembrane rendent ce système à la fois très déformable et très contraint.Ce manuscrit s’intéresse à la modélisation d’une vésicule soumise à des efforts extérieurs d’o-rigine hydrodynamique, dans le régime de Stokes. Une attention particulière est consacrée à lasituation d’une vésicule qui sédimente. Cette situation est étudiée analytiquement dans le régimedes faibles déformations. Il est montré que plusieurs familles de solutions stationnaires non triv-iales existent, grâce aux propriétés spécifiques de la membrane. L’étude de la sédimentation d’unevésicule est poursuivie par le développement d’un code numérique capable de simuler de grandesdéformations. Pour cela, des méthodes numériques originales de calcul de prise en compte de laflexion et de l’incompressibilité surfacique sont développées. Ce code permet d’étudier la forma-tion d’un tube à l’arrière d’une vésicule en sédimentation. Ces tubes sont de fins (rapport d’aspecttypique longueur/rayon ∼ 100) cylindres connectés à la vésicule d’origine. Il est montré que cesformes tubes sont des formes stationnaires. Un modèle théorique est proposé et comparé auxsimulations numériques. Ce modèle met en lumière l’importance particulière de la tension dansces formes. Une modélisation mécanique basée sur un milieu de Cosserat surfacique courbé estégalement présentée, et permet d’identifier la contribution de la flexion au tenseur des contraintes.Cette contribution est un ingrédient indispensable pour comprendre les formes tubes
Vesicles are drops of radius of a few tens micrometers, bounded by an impermeable lipidmembrane of approximately 4 nm thickness, and embedded in an external viscous fluid. Thevesicle membrane is an original system from the mechanical point of view : it presents bothincompressible fluid properties (the lipids can flow freely along the membrane, but membraneis incompressible locally) and solid properties (the membrane resists to bending). The specificproperties of the membrane make the system very deformable and very constrained at the sametime.This manuscript deals with the modelisation of a vesicle subjected to external stresses of hydrodynamical origin, in the Stokes regime. A particular attention is paid to the situation of asettling vesicle. This situation is studied analytically in the small deformation regime. It is foundthat several families of non-trivial stationnary shapes exist, owing to the specific properties ofthe membrane. The study of a settling vesicle is pursued by the development of a numerical codeable to deal with large deformations. Original numerical methods are developped to deal with thecomputation of the bending and with the surface incompressibility constraint. This code permitsto study the formation of tether at the rear of a settling vesicle. These tethers are thin (typicalaspect ratio : length/radius ∼ 100) cylinders of membrane connected to the original vesicle. Itis shown that these tethered shapes are stationary shapes. A theoretical model is proposed andcompared to numerical simulations. This model shows the particular importance of tension inthese shapes. A mechanical modelling based on a curved Cosserat surface is also presented, andpermits to identify the bending contribution to the stress tensor. This contribution is a salientingredient to understand tethered shapes

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Haboussa, Grégory. "Contribution à la validation des méthodes numériques pour les problèmes dynamiques couplés fluide-structure." Valenciennes, 2008. http://ged.univ-valenciennes.fr/nuxeo/site/esupversions/66881e67-4270-45a8-943c-a32adee5eda6.

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Abstract:

Ce travail vise à améliorer la capacité de prédiction des comportements dynamiques transitoires des solides et des structures lors de sollicitations de type crash, spécifiquement lorsqu’un milieu fluide doit être pris en compte. La première étape a consisté à mesurer une observable expérimentale, caractéristique de l’impact hydrodynamique : l’évolution du chargement en pression sur la paroi de la structure. Pour aboutir à cela, une base expérimentale antérieure d’impact de goutte d’eau sur capteur de pression a été exploitée. La pression de paroi est obtenue en déterminant une fonction de transfert soustrayant l’influence dynamique du capteur sur la mesure par étalonnage dynamique au tube à choc, puis en l’appliquant à ces essais. Une observable expérimentale pertinente relative à l’impact d’une goutte d’eau sur une structure plane étant obtenue, un nouveau cas de validation des méthodes numériques est alors défini. Les performances de plusieurs méthodes numériques sont alors évaluées, en s’intéressant aux profils de pression pariétale obtenus. Ces simulations reposent sur différentes formulations et différentes modélisations de l’interface (continue ou non). La méthode naturelle couplage Éléments Finis -Lagrange Euler associée apporte les résultats les plus convaincants. L’emploi de cette méthode naturelle apparaît finalement comme référence numérique en impact hydrodynamique : aucun paramètre autre que physique n’étant introduit dans le code. En conclusion, la possibilité est bien offerte aujourd’hui de faire avec l’ALE, sous réserve d’un emploi pertinent, des campagnes d’expérience numérique en calcul de structure avec impacts hydrodynamiques
Numerous numerical methods exist that can be used to solve fluid/structure interactions during hydrodynamic impacts on deformable structures. The purpose of the present work is to define a methodology which allows validating these numerical methods. The first stage of this work is to establish experimental reference, using a pressure transducer, in order to validate these methods. A methodology of exploitation of dynamics test responses, dedicated to the elimination of such measurement if needed, in order to get the true contact pressure that deformable structures have to support during hydrodynamic impacts, is proposed. For that purpose, the dynamic calibration of a pressure transducer is performed using shock tube, and a dynamic correction function is established, first theoretically, then practically. The obtained function is then applied on existing test results coming from water drop impacts onto the studied pressure transducer, in order to calculate the corresponding contact pressure on a flat panel. The second stage of this research is to model this phenomenon with different numerical methods: Finite Element Method, Arbitrary-Lagrange-Euler (ALE) Method and Smooth Particles Hydrodynamic Method, with a conforming –or not- interface. Comparison between corrected pressure and calculated pressure, corresponding to contact pressure on a flat panel, shows that ALE Method using a conforming interface (continuous mesh) is able to give good assumption of the hydrodynamic impact phenomenon, under the hypothesis that dynamic effect are more important than numerical diffusion. In conclusion, it is possible today to simulate correctly, with ALE method, hydrodynamic impacts on deformable structures

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Constantinescu, Adrian. "Modélisation 2D de l’impact d’une structure sur l’eau : initiation de l’endommagement." Brest, 2006. http://www.theses.fr/2006BRES2037.

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Abstract:

Le travail réalisé au cours de cette thèse a porté sur la modélisation de impact d’un corps 2D sur une surface fluide, ainsi que l’apparition de son endommagement (au sens rupture macroscopique) associé. Une des applications visées est la modélisation des efforts de tossage (slamming) s’exerçant sur la partie avant d’un bâtiment de surface sous conditions de mer sévéres. Les contraintes et déformations fluctuantes, engendrées sur la carène du navire, peuvent provoquer une dégradation mécanique prématurée par fatigue. Les travaux principaux ont consisté à développer puis valider un outil numérique (lmpact++ ABAQUS) permettant l’étude de l’interaction fluide-structure lors du contact violent entre un corps à géométrie simple (structures 2D planes et axisymétriques à section simple [diédre et cône] ou complexe [géométrie variable de la génératrice- cylindre, sphère, paraboloïde de révolution, ellipsoïde de révolution, etc]) et une surface libre d’eau. Cette approche a pris en compte les déformations de la structure lors de la détermination de l’écoulement du fluide et réciproquement. Au final, notre outil numérique s’appuie sur le code éléments finis industriel ABAQUS et permet de calculer les états de contraintes, de déformations, les énergies et les efforts globaux pour une structure solide 2D impactant un fluide. Le second objectif de l’étude était, en vue d’un dimensionnement des coques navales, d’apporter une représentation quantitative et qualitative de l’amorçage du dommage d’une structure métallique, et plus précisément de pouvoir prédire, lors de ces impacts répétés avec l’eau, l’instant et l’endroit d’apparition de l’endommagement microscopique (au sens rupture). Nous avons choisi de représenter ces phénomènes par des conditions de perte d’unicité de la solution en vitesse (bifurcation) dans léquilibre mécanique du solide déformable
The research work in this thesis covers the modeling of the impact of a 2D body with water and the subsequent appearance of macroscopic fractures. The main application is the modeling of the slamming forces acting on the ship structure in severe sea conditions. The time-dependent stresses and strains on a ship hull can provoke a premature mechanical failure due to fatigue. The main work consists in the development and validation of a numerical tool (lmpact++ ABAQUS) simulating the fluid-structure interaction during the violent impact of a body of a simple geometry (wedge, cone, cylinder, sphere, axisymmetric parabolic body, ellipsoid, etc) on a free water surface. This approach considers the effect of the deformation of the structure on the flow and vive versa. The numerical tool is based on the commercial finite element code ASAQUS and permits to calculate thee stresses and deformations, energies and the global forces for a 2D solid structure inipacting a fluid. In view of the long-term goal of aiding structural design of ships, the second objective was to bring a quantitative and qualitative representation of the beginning of the damage of a metallic structure impacting water, namely to predict the time and location of fracture initiation due to repeated slamming impacts. These phenomena are modeled here by a bifurcation of the solution for the velocity in the mechanical equilibrium equation for the deformable body

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Sigrist, Jean-François. "Modélisation et simulation numérique d'un problème couplé fluide/structure non linéaire : application au dimensionnement de structures nucléaires de propulsion navale." Nantes, 2004. http://www.theses.fr/2004NANT2088.

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Abstract:

Nous nous intéressons dans cette thèse à la modélisation et la simulation numérique d'un problème couplé fluide/structure non linéaire avec surface libre fluide. Nous définissons un cas générique d'étude pour lequel nous formulons un problème linéaire (problème aux valeurs propres du système couplé) et un problème non linéaire (problème d'évolution du système couplé, initialement au repos et soumis à une excitation dynamique). Le problème non linéaire est formulé en pression/déplacement avec les équations de la dynamique linéaire pour la structure et l'équation de Laplace pour le fluide. La résolution du problème aux valeurs propres est conduite avec une méthode de couplage fort éléments finis (structure) et éléments finis/équation intégrale (fluide). Les formulations du problème modal couplé sont écrites dans avec prise en compte ou non des modes de ballottement du fluide. Le problème aux valeurs propres ainsi obtenu est non symétrique : il est résolu avec l'algorithme de Lanczos non symétrique. Le problème non linéaire est formulé en pression-vitesse/déplacement avec les équations de la dynamique non linéaire pour la structure et les équations de Stokes pour le fluide. La résolution du problème d'évolution utilise une méthode de couplage faible. Le problème fluide est résolu avec une technique volumes finis, avec une représentation en maillage mobile, un algorithme temporel découplé en pression/vitesse et une méthode de capture d'interface pour la simulation de la surface libre. Le problème structure est résolu avec une technique éléments finis, un algorithme temporel mixte implicite/explicite. Le couplage des deux problèmes est détaillé pour les aspects de couplage en espace (gestion d'incompatibilité de maillage, projection des efforts et des déplacements, algorithme de remaillage du problème fluide) et en temps (approche explicite, gestion des oscillations numériques). Un travail de validation du code de calcul CFD utilisé pour l'étude est proposé en comparant les résultats de calcul pour deux problèmes fluides élémentaires avec les solutions analytiques correspondantes. Ce travail conduit à la définition d'un benchmark général de validation d'un code de calcul CFD. Une étude numérique est ensuite conduite et permet de mettre en évidence la physique des interactions fluide/structure sur ce cas d'étude (masse ajoutée, masse déplacée, couplage de modes, effets des non linéarités structure). Une application des techniques de calcul éléments finis/éléments finis à l'analyse modale de l'ensemble panier/cuve d'un réacteur nucléaire de propulsion navale permet de montrer l'importance des interactions fluide/structure dans le cas industriel.

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Ducoin, Antoine. "Etude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure." Nantes, 2008. http://www.theses.fr/2008NANT2118.

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Abstract:

L'étude se place dans le contexte industriel de dimensionnement des structures navales telles que les safrans stabilisateurs et les hélices marines en collaboration avec un industriel du secteur naval. La thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique d’un hydrofoil en régime transitoire incluant la prise en compte du couplage fluide structure. Les nombres de Reynolds étudiés sont compris entre 750 000 et 1 500 000. Le régime transitoire est caractérisé ici par une montée-descente en incidence à vitesse de rotation variable (lente, moyenne et rapide). La double approche, expérimentale et numérique, permet une analyse fine des phénomènes rencontrés, et permet de donner des éléments de réponse sur la fiabilité des calculs pour la prédiction des chargements hydrodynamiques. Les essais en tunnel hydrodynamique portent sur la mesure de pression pariétale, de déplacements et de cavitation. Les calculs sont effectués d'une part avec le code volumes finis CFX pour résoudre l'écoulement, en utilisant des modèles hydrodynamiques adaptés à l'étude (Euler, visqueux, modèle de turbulence , modèle de transition ). D'autre part, le code éléments finis ANSYS permet de calculer la réponse structurelle de l'hydrofoil soumis au chargement hydrodynamique. Le couplage est pris en compte par échange de données physiques à l’interface fluide structure. L'étude de l'évolution spatio-temporelle du champ de pression pariétale autour de l’hydrofoil rigide en mouvement de rotation transitoire a tout d'abord été menée. La transition laminaire turbulent a été identifiée, résultant de la formation d’un bulbe de décollement laminaire. Pour les faibles vitesses de rotation, le passage de la transition au bord d'attaque a un impact important sur le chargement qui se traduit par une évolution en plateau autour de 5°. Pour les fortes vitesses de rotation, l’effet de la transition sur le chargement est réduit. On observe la disparition de l’évolution en plateau qui conduit à une valeur plus importante du chargement hydrodynamique au décrochage. Un fort phénomène d’hystérésis est constaté lors du retour à 0°. L’analyse expérimentale de la distribution spatio-temporelle des fluctuations de pression a permis d’associer des fluctuations de pression périodique à des lâchers tourbillonnaires derrière le bulbe de décollement laminaire. Pour les fortes vitesses de rotation, un retard de la transition est constaté tandis que les fréquences de lâchers tourbillonnaires et les grandeurs du bulbe sont constantes. Le couplage fluide structure est ensuite étudié sur des hydrofoils dits « déformables ». Une étude stationnaire a permis de relier le chargement hydrodynamique aux déformations de la structure qui, lorsqu'elle se vrille, induit une modification locale de l'incidence suivant l'envergure. Une étude en régime transitoire a montré que l’impact des régimes d'coulement est clairement visible sur les déplacements. De plus, le comportement structurel de l'hydrofoil a aussi été étudié en régime cavitant et montre un fort impact de la cavitation, que ce soit à incidence fixe ou en régime transitoire. D’importantes fluctuations structurelles et variations d’incidence ont été relevées qui peuvent induire un fort couplage entre l’hydrofoil et l’écoulement cavitant
The study is in the context of marine structure design such as rudder or marine propeller and is in collaboration with a naval industrial. The thesis deal with the experimental and numerical study of the hydrodynamic loading of an hydrofoil in transient regime including fluid structure interaction problems. The transient motion is defined as a pitching motion from 0 to 15° with a return to 0° for which various velocities are defined (slow, medium, fast). Reynolds numbers studied are between 750 000 and 1 500 000. Experimental and numerical approaches are carried out together, leading to an accurate study of phenomenon observed and giving response on prediction accuracy into industrial codes. Experiments deal with wall pressure, displacements and cavitation measurements in hydrodynamic tunnel. On one hand, the flow computations are done with the finite volume CFX code for which hydrodynamic models are selected in accordance to the flow case observed (Euler, viscous, turbulence model, transition model). On an other hand, the finite element code ANSYS is used for structure displacement resolution. The coupling is take into account by ensures the exchange of the physical information at the fluid structure interface. The study of the spatio temporal evolution of wall pressure around a rigid hydrofoil in transient pitching motion has been carried out. The laminar to turbulent transition is identified resulting from laminar separation bubble. For a slow pitching velocities, the transition have a strong impact on hydrodynamic loading and a plateau is observed at 5°. For high pitching velocities, the transition effects are reduced which induced a higher value before stall. A strong hystereris is observed when the angle of incidence return to 0°. Periodic pressure fluctuations are identified as vortex shedding of laminar separation bubble. For high pitching velocities, the transition is delayed whereas LSB vortex shedding frequencies and LSB size are constant. The fluid structure coupling was investigated on deformable hydrofoils. A stationary study has linked hydrodynamic loading to structural twist deformations which induced local incidence variations along the span. Then displacements of a deformable hydrofoil in transient pitching motion has shown that boundary layer events like transition and stall are clearly visible on measured hydrofoil displacements. This is confirmed by non coupled computations. Moreover, investigations of cavitating flows show that there is a strong impact of cavitation on structural behaviour, by both static and transient measurements. Significant local incidence fluctuations have been highlighted which can then creates a strong coupling between hydrofoil and cavitating flow

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Ould, Abdallahi Mohamed. "Contribution à la mise en place d'une méthode d'intensimétrie à quatre capteurs." Lille 1, 2001. https://pepite-depot.univ-lille.fr/RESTREINT/Th_Num/2001/50376-2001-117.pdf.

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Abstract:

La présente étude porte sur la modélisation d'un élément de conduite rectiligne avec prise en compte du couplage fluide-structure. Ceci conduit a une formulation d'une matrice de transfert adimensionnelle reliant deux vecteurs d'état à deux sections droites de la conduite. Cette formulation matricielle est utilisée pour la mise en oeuvre d'une technique d'intensimétrie à quatre capteurs permettant la détermination du vecteur d'état dans une section droite de la conduite avec une qualité améliorée par rapport aux techniques précédentes. Ces calculs sont fait avec un contrôle sur le conditionnement des matrices utilisées. Deux choix ont étaient fait pour les éléments du vecteur d'état ; l'un avec la pression, la vitesse d'écoulement, le déplacement axial et l'effort normal dans une section droite et l'autre avec la pression, la vitesse d'écoulement, le déplacement axial d'une section droite et les déformations axiales. Le dernier choix permet l'utilisation des mesures non intrusives pour déterminer les éléments du vecteur d'état dans une section droite de la conduite.

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Pichot, Géraldine. "Modélisation et analyse numérique du couplage filet-écoulement hydrodynamique dans une poche de chalut." Rennes 1, 2007. http://www.theses.fr/2007REN1S092.

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Abstract:

Nous nous intéressons à la simulation numérique du phénomène de capture dans une poche de chalut. Nous présentons les modèles existants pour le filet et les poissons et montrons la nécessité de développer un modèle pour le fluide. Afin de mieux comprendre l’écoulement, nous avons mené des campagnes expérimentales autour d’une maquette de filet rigide axisymétrique dont nous décrivons les résultats. Nous proposons un modèle pour le fluide basé sur les équations de Navier-Stokes/Brinkman moyennées couplées à une équation pour l’énergie cinétique turbulente par le biais d’une viscosité turbulente, et les conditions aux limites appropriées. Nous montrons l’existence d’une solution faible au problème couplé en dimension 2. Puis, nous présentons le code de calcul axisymétrique que nous avons développé, nommé SeaNet. Nous avons alors procédé au calage des paramètres du modèle ainsi qu’à la validation du code par comparaison avec les résultats expérimentaux
E are interested in the numerical simulation of the catch process at the end part of a trawl. The study of previous works emphasizes the lack of a convincing flow model. The need of a physical understanding of the flow leads us to perform experimental campaigns around a rigid cod-end net model, whose results are given in the manuscript. We propose a model based on the Navier-Stokes/Brinkman equations coupled to an equation for the turbulent kinetic energy by the means of an eddy viscosity, with appropriate boundary conditions. Existence of a weak solution to our coupled problem is proved in dimension 2. Then, we present the axisymmetric code we developed, called SeaNet. We set the parameters of the model and validate the code by comparison with the experimental results

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Leroyer, Alban. "Étude du couplage écoulement/mouvement pour des corps solides ou à déformation imposée par résolution des équations de Navier-Stokes : contribution à la modélisation numérique de la cavitation." Nantes, 2004. http://www.theses.fr/2004NANT2106.

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Abstract:

On s'intéresse dans ce travail de thèse à l'ajout de deux phénomènes physiques qui se couplent à la résolution des équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds. Le premier concerne les mouvements de corps solides ou déformables à déformation imposée. Les différentes méthodes numériques spécifiques pour mener à bien de telles simulations sont exposées : résolution du Principe Fondamental de la Dynamique, stratégies de remaillage, couplage écoulement/mouvement, discrétisation des équations,. . . Plusieurs applications sont ensuite présentées, principalement dans le domaine hydrodynamique (tenue à la mer, impact sur une surface libre, écoulement autour d'une palette d'aviron). Une application plus orientée vers la biohydrodynamique, intégrée au Projet Interdisciplinaire de Recherche ROBEA, montre une étude mettant en jeu un corps déformable. Ainsi, les premiers calculs tridimensionnels recensés couplant la résolution du Principe Fondamental de la Dynamique avec celle des équations de Navier-Stokes sur un robot-anguille auto-propulsé sont décrits dans ce mémoire. Le second apport en terme de nouveaux phénomènes physiques concerne la modélisation numérique de la cavitation. Cette extension des écoulements multi-phases a consisté à intégrer un modèle de production-destruction de vapeur sans recourir à de lourdes modifications dans le solveur Navier-Stokes. Les premiers résultats ainsi que les dificultés numériques de résolution sont exposés. Pour s'affranchir de ces problèmes numériques, une nouvelle formulation offrant un couplage plus fort entre les différentes variables est finalement proposée

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Gobert, Marie-Laure. "Etude de l'interaction entre un écoulement de couche limite instable et une structure déformable." Nantes, 2009. http://www.theses.fr/2009NANT2037.

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Abstract:

Ce travail, réalisé dans le cadre d'une convention de thèse Cifre avec Thales Underwater Systems, et cofinancé par DCNS, vise à améliorer la prédiction du bruit propre hydrodynamique d'une antenne sonar, dû aux fluctuations de pression dans la couche limite qui se développe le long du dôme. Les estimations de bruit reposent en général sur des modèles semi-empiriques qui ne tiennent que partiellement compte de la flexibilité du dôme. La présente étude reconsidère le problème du bruit hydrodynamique dans le cas-type simplifié d'une couche limite instable le long d'une plaque plane élastique. La première partie du travail est consacrée à la simulation numérique directe d’un écoulement de couche limite bidimensionnel, caractérisé par un nombre de Reynolds hautement supercritique, le long d’une paroi élastique encastrée. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles repose sur un changement de variables évolutif au cours du temps, associé à une discrétisation spatiale mixte différences finies – collocation Chebyshev. Une méthode de pas fractionnaire permet d’assurer un couplage fort entre le modèle de paroi élastique et le système fluide. Un forçage en vitesse est injecté dans ce dernier, à des fréquences instables et des amplitudes suffisamment élevées, afin de donner lieu à des instabilités convectives et saturées non linéairement, qui interagissent avec les mouvements de la paroi. Cette dernière vibre autour d'un état déformé initial résultant du couplage avec l'écoulement non perturbé. Des parois de longueurs et de matériaux variés ont été testées en vue de caractériser les vibrations, en termes de niveaux et de structures spatiales, ainsi que leur rétroaction sur les instabilités de l'écoulement, en fonction des valeurs des fréquences propres de la paroi. Dans les divers cas étudiés, on observe que le spectre de pression pariétale est enrichi par des composantes modales, à très bas nombres d'ondes et relativement hautes fréquences, qui peuvent donner lieu à un rayonnement plus important. Un post-traitement est mis en oeuvre afin d’estimer le bruit généré par les fluctuations de vitesse dans la couche limite. La pression rayonnée dans l’écoulement uniforme est évaluée à partir des données acquises au cours des simulations, dans le cadre de l’analogie de Lighthill. Le calcul, effectué dans le domaine spectral, repose sur l’utilisation d’une fonction de Green dont l’expression tient compte de la présence de la paroi souple. Dans cette approche, les vibrations de la paroi induisent à certaines fréquences, en particulier aux fréquences propres de la paroi, des niveaux de pression rayonnée supérieurs à ceux du cas rigide, en favorisant la présence de structures spatiales plus larges. D’autres modèles, élaborés à partir de la même formulation, mais tenant compte de la compressibilité de la couche limite dans le calcul des contributions vibratoires, mettent en évidence une nette augmentation des niveaux de pression rayonnée sur paroi souple dans une large gamme de fréquences, de part et d’autres des fréquences propres, lorsque ces dernières sont distinctes des fréquences de forçage, ainsi que l’apport de la prise en compte d’un couplage fort par rapport aux approches classiques basées sur une hypothèse de couplage faible. Enfin, une étude expérimentale en tunnel hydrodynamique est mise en place en vue de mesurer les vibrations d'une plaque élastique, encastrée dans un support rigide, et soumise à un écoulement transitionnel ou turbulent, ainsi que le bruit rayonné dans la cavité sous-jacente à la plaque, instrumentée avec un hydrophone. Les résultats de la campagne de mesures, qui repose sur les techniques de vibrométrie laser et de vélocimétrie laser Doppler, sont détaillés et analysés
This work, supported by Thales Underwater Systems through a Cifre thesis grant, and by DCNS, aims at improving the prediction of the hydrodynamic self-noise of a sonar antenna, due to the pressure fluctuations in the boundary-layer flow that develops along the dome. Noise estimations are generally based on semi-empirical models, that take only partially into account the dome flexibility. The present study readdresses the issue of the hydrodynamic noise, in the simplified archetype case of an unstable boundary layer flow along an elastic flat plate. The first part of the study consists in the direct numerical simulation of a two-dimensional boundary layer flow, characterized by a highly supercritical Reynolds number, over an elastic clamped plate. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by means of a time-dependent mapping, associated to a mixed finite differences – Chebyshev collocation spatial discretization. A fractional step method enables a full coupling between the plate model and the fluid system. A velocity forcing is introduced in the latter, at unstable frequencies and high amplitudes, in order to give rise to convective and non-linearly saturated instabilities, which interact with the plate motions. The latter vibrates around an initial bent state resulting from the coupling with the non perturbed flow. Plates of various materials and lengths are tested, to characterize the vibrations, in terms of levels and spatial structures, as well as their retro-action on the flow instabilities, depending on the values of the plate natural frequencies. For the cases considered in the present investigation, we observe that the wall pressure spectrum possesses additional modal components, with very low wavenumbers and relatively high frequencies, which may give rise to increased radiation. A post-treatment is implemented to estimate the noise generated by the boundary layer velocity fluctuations. The radiated pressure in the uniform flow domain is evaluated from the simulation data in the framework of the Lighthill's analogy. The calculations are performed in the spectral domain, using an appropriate Green function whose expression takes into account the presence of the elastic plate. In this approach, the plate vibrations induce at some frequencies, including the plate natural frequencies, higher radiated pressure levels than in the rigid case, by favouring larger spatial structures. Additional models, derived from the same formulation, but taking into account the boundary layer compressibility in the computation of the vibratory contributions, highlight a clear increase in the radiated pressure levels in a wide frequency range around the plate natural frequencies, when the latter are distinct from the forcing frequencies, as well as the benefit from considering a full coupling in comparison to classical approaches based on a weak coupling assumption. Finally, the fluid-structure system is investigated experimentally using a hydrodynamic tunnel setup, in order to measure the vibrations of an elastic clamped plate triggered by a transitional or turbulent boundary layer flow, as well as the radiated noise in the cavity beneath the plate, which is equipped with a hydrophone. The measurements, acquired using laser vibrometry and laser Doppler velocimetry, are detailed and analysed

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Dalmon, Alexis. "Simulation numérique du ballottement d'ergol et modélisation de l'interaction fluides-membrane dans un réservoir de satellite." Thesis, Toulouse 3, 2018. http://www.theses.fr/2018TOU30256/document.

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Abstract:

Le ballottement dans les réservoirs d'ergols est une des perturbations les plus importantes de la stabilité d'un satellite en orbite. En considérant des manœuvres faiblement inertielles, il n'existe pas de modèle analytique et l'expérimentation nécessite de longues périodes de temps en micro-gravité. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de réaliser des simulations numériques de ce phénomène. L'étude est basée sur le solveur DIVA résolvant les équations de Navier-Stokes diphasiques avec les méthodes level-set et Ghost Fluid. Deux technologies de réservoirs sont à l'étude : les réservoirs classiques, ne contenant que l'ergol liquide et le gaz pressurisant, et les réservoirs à membrane, pour lesquels une membrane hyperélastique sépare les deux fluides. Dans le premier cas, une étude paramétrique complète sur les effets du ballottement lors d'une manœuvre de rotation est menée et les différents régimes d'écoulement obtenus sont décrits par rapport aux paramètres d'études. Par la suite, les données de l'expérience FLUIDICS, envoyée à bord de la Station Spatiale Internationale, sont comparées aux résultats numériques et montrent un très bon accord. Par rapport au second cas, un modèle d'interaction fluides-membrane est développé en s'inspirant de travaux sur la déformation de cellules biologiques. Les déformations et contraintes propres à la membrane sont suivies de façon Eulérienne, les efforts exercés par la membrane sur les fluides environnants en sont déduits et intégrés au solveur diphasique. Les résultats obtenus sont validés par comparaison à des cas-tests de la littérature
Propellant sloshing in tanks is one of the most important disturbances of satellite stability in orbit. Considering low-inertial manoeuvres, there is no analytical model and experimental facilities require long time period of microgravity conditions. Thus, this PhD thesis aims to predict this phenomenon by numerical simulations. The study is based on the DIVA code which solves the Navier-Stokes equations for two-phase flows with the level-set method and the Ghost Fluid method. Two tank technologies are studied: simple tanks, which only contain the liquid propellant and the gas maintaining the pressure, and diaphragm tanks, for which a hyperelastic membrane separates both fluids. In the first case, a parametric study on the sloshing effects is done considering rotational manoeuvres and the different behaviours observed are described in relation to the study parameters. Thereafter, the data from the FLUIDICS experiment, sent to the International Space Station, are compared to the numerical results and exhibit good agreement. In the second case, a fluids-membrane interaction model inspired from works on the deformation of biological cells is developed. The membrane strains and stresses are computed in an Eulerian way, from which the force exerted by the membrane on the surrounding fluids is deduced and integrated in the two-phase flows solver. The numerical results are validated by comparison with benchmarks from the literature

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Messahel, Ramzi. "ALE and SPH formulations for Fluid Structure Interaction : shock waves impact." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10022/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur l’étude numérique de la propagation d’ondes de choc dans les écoulements compressibles multiphasiques et en interaction (fluide-structure). Deux approches sont étudiées pour la résolution numérique de la partie fluide : L’approche ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) et l’approche lagrangienne SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) ; la partie structure, quant à elle, est résolue par une approche classique EF (Éléments finis). L’étude des méthodes ALE et SPH constituent les deux principaux axes de recherche. La problématique des coups de bélier dans l’ingénierie nucléaire est abordée dans cette thèse. Lors d’un coup de bélier, les nombreuses réflexions d’ondes de choc dans les tuyauteries nucléaires peuvent faire baisser la pression de l’eau en dessous de sa pression de saturation et générer localement de la cavitation. Le modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model) de changement de phase proposé par Saurel et al. (1999) à trois équations est étudié et appliqué aux coups de bélier. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales. Malgré l’utilisation des techniques de renormalisation en SPH, des instabilités (oscillations numériques) se développent à l’interface entre les particules de matériaux différents. Ces instabilités restreignent l’utilisation des schémas SPH classiques pour des problèmes à faible ratio de densité. Afin de résoudre les problèmes de choc, le schéma proposé par Hu et Adams (2006) est adapté au régime fortement compressible en considérant le couplage entre la densité et la longueur de lissage. Les différents schémas SPH sont comparés entre eux pour les problèmes de chocs multiphasiques en 1-D et 2-D. Les résultats SPH sont validés avec la solution exacte pour les problèmes 1-D et la solution ALE pour les problèmes 2-D
This thesis focuses on the numerical study of the propagation of shock waves in compressible multiphase flows and fluid structure interaction. Two approaches are being studied for the numerical solution of the fluid part: the ALE approach (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and the Lagrangian SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) approach; while the structure part is solved by a conventional FE (Finite Element). The numerical investigation of the ALE and SPH methods are the two main areas of research.Water Hammers phenomena occuring in nuclear industries are investigated in this thesis. During a Water Hammer, the shock waves reflections in nuclear piping may drop locally the water pressure below its saturation pressure and generate cavitation. The three equations HEM (Homogeneous Equilibrium Model) phase change model proposed by Saurel et al. (1999) is studied and applied to solve water hammers. The obtained results are compared with experimental data. Despite the use of renormalization techniques in SPH, instabilities (numerical oscillations) are developed at the interface between particles from different materials. These instabilities restrict the use of traditional SPH schemes to problems with low density ratio. In order to solve the shock problems in the compressible regime, the scheme originally proposed by Hu and Adams (2006) is adapted to fully compressible regime (FC-SPH) by considering the coupling between the density and the smoothing length. The different SPH schemes are compared for 1-D and 2-D multiphase shock problems. Validation is performed in comparison with exact solutions for 1-D problems and ALE solution for 2-D problems

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Nunez, Ramirez Jorge. "A multi time-step partitioned approach for the coupling of SPH and FE methods for nonlinear FSI problems." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI040/document.

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Abstract:

Dans le cadre de ce travail, une technique non-intrusive est proposée pour coupler la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) à la méthode des Eléments Finis aﬁn de résoudre numériquement des problèmes dynamiques et non-linéaires d’interaction ﬂuide-structure en permettant l’utilisation des pas de temps différents dans les deux domaines de calcul (ﬂuide et solide). Ces développements sont motivés par le besoin de simuler numériquement des phénomènes rapides et très non-linéaires qui prennent en compte des impacts en se servant des intégrateurs temporels explicites dans chaque sous-domaine de calcul (Newmark explicite pour le solide et Runge-Kutta 2 pour le ﬂuide). De ce fait, le pas de temps de stabilité est limité par des caractéristiques intrinsèques au modèle numérique du phénomène étudié et en conséquence, il devient important de pouvoir intégrer chaque sous-domaine numérique avec un pas de temps proche de son pas de temps de stabilité. Pour permettre d’utiliser un pas de temps proche du pas de temps de stabilité pour chaque sous-domaine, des méthodes de décomposition de domaines dual-Schur sont implémentées et validées pour des cas en 1-D, 2-D, et 3-D. Des simulations numériques d’impacts de cailloux sur des aubes des turbines hydrauliques sont aussi effectue´es aﬁn de prédire le dommage que cet évènement peut engendrer
A method to couple smoothed particle hydrodynamics and finite elements methods for nonlinear transient fluid–structure interaction simulations by adopting different time-steps depending on the fluid or solid sub-domains is proposed. These developments were motivated by the need to simulate highly non-linear and sudden phenomena that take into acount solid impacts and hence require the use of explicit time integrators on both sub-domains (explicit Newmark for the solid and Runge–Kutta 2 for the fluid). However, due to critical time-step required for the stability of the explicit time integrators in, it becomes important to be able to integrate each sub-domain with a different time-step while respecting the features that a previously developed mono time-step coupling algorithm offered. For this matter, a dual-Schur decomposition method originally proposed for structural dynamics was considered, allowing to couple time integrators of the Newmark family with different time-steps with the use of Lagrange multipliers

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Melot, Vincent. "Hydrodynamique instationnaire d'un cylindre sous choc." Phd thesis, Université de Nantes, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00124063.

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Abstract:

Ce travail présente une étude analytique, numérique et expérimentale de l'hydrodynamique d'un cylindre soumis à un choc sinus. L'étude analytique consiste à développer un modèle général permettant de prédire les forces et la répartition de pressions sur le cylindre soumis à un mouvement transitoire quelconque dans un fluide visqueux bidimensionel. La simulation numérique s'attache à la modélisation en maillage mobile d'un cylindre évoluant dans un domaine fluide infini bidimensionel sous le code généraliste STAR-CD. Un dispositif expérimental avec la chaîne de mesure associée est conçu permettant d'imposer différents types de mouvements (choc sinus, mouvement oscillatoire entretenu) à un cylindre baignant dans un bassin. Ces trois approches complémentaires montrent que l'écoulement est régi par deux nombres adimensionnels : le nombre de Stokes, Beta, et le nombre de Keulegan-Carpenter, KC. Beta mesure le rapport entre le temps de diffusion visqueuse et le temps caractéristique du choc et KC le rapport entre le déplacement maximum du corps et son diamètre. Dans le cas où Beta est très grand (fluide parfait), la force sur le cylindre est régie par l'effet inertiel quelque soit KC. A petit KC, la pression est contrôlée uniquement par l'effet inertiel alors que pour des grands KC, un effet d'advection vient s'ajouter. A Beta modéré et pour des petites valeurs de KC, la force et la pression subissent trois effets : un effet d'inertie, d'histoires et de traînée. Pour des grandes valeurs de KC, l'écoulement devient plus riche : des zones dynamiques de vorticité apparaissent. Elles induisent de fortes fluctuations locales de pression sans modifier la force totale. Ce travail se termine par l'étude d'un cas d'interaction fluide-structure où les outils de prédiction et de simulation développés récédemment sont mis en oeuvre. Les phénomènes d'inertie, de trainée et les effets d'histoire apparaissent simultanément et sont couplés avec le mouvement du cylindre.

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Clement, Adrien. "Étude hydroacoustique de la réponse d'une structure à une excitation de couche limite turbulente." Thesis, Paris, ENSAM, 2015. http://www.theses.fr/2015ENAM0033/document.

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Abstract:

Les travaux présentés s’intéressent à la réponse vibratoire et au champ acoustique émis par une structure immergée et excitée par une couche limite turbulente, dans le domaine des bas nombres d’ondes et pour un nombre de Mach faible. Ce travail s’inscrit dans la problématique d’amélioration de laprédiction du bruit rayonné dans ce type de configurations, et peut trouver son application à la discrétion acoustique des navires, ou à la caractérisation du bruit rayonné par des structures externes excitées par un écoulement.Numériquement, une analyse modale de la réponse de la structure en formulation (u,p,φ) est réalisée à l’aide du code élément finis Code_Aster. L’excitation est modélisée par une somme d’ondes planes de pression dont la densité spectrale est obtenue à partir des modèles d’excitation pariétale disponibles dans la littérature. Une analyse harmonique sur base modale est réalisée pour chaque cas de chargement.Cette approche permet la prise en compte du couplage fluide-structure dans le cas d’un fluide lourd et présente l’avantage de s’affranchir des hypothèses généralement faites, de fluide léger et d’orthogonalité des déformées modales.Les résultats issus de la modélisation numérique sont comparés à des données expérimentales, concernant le comportement vibratoire d’un dispositif constitué d’une plaque plane excitée par un écoulement généré en tunnel hydrodynamique. Les résultats numériques et expérimentaux observés sont proches,qu’il s’agisse du comportement global, du niveau spectral moyen en déplacement ou du niveau de pression acoustique mesuré. En complément, l’influence de défauts, constitués de marche montantes et descendantes de hauteur inférieure à l’épaisseur de la couche limite, sur l’excitation et la réponse de la structure est explorée expérimentalement
The following work consist in the study of the vibroacoustic response of a structure submerged in fluid, under a turbulent boundary layer flow, the response of the structure is driven by the low wavenumber behaviour, for a small Mach number. This work aims at providing better means of predicting the noise radiated in such setups, mainly regarding stealthiness of ships and submarines and noise radiated by outer structures.A numerical modal analysis based on the (u,p,φ) formulation available in the finite element software Code_Aster is performed. The pressure induced by the boudary layer is then described as a sum of plane waves and several harmonical analysis are performed on the reduced problem, projected on the (u,p,φ) modal basis, one for each term of the sum. This allows us to account for the fluid-structure interaction (inertial and acoustic) in confined and infinite fluid domains. Most numerical models found in scientific papers are making the assumption of a light fluid, or a fluid loaded plate, thus not taking clearly into account the fluid-strucure interaction or only the inertialpart. Here the interaction due to the acoustic field radiated by the plate is fully accounted for.The validity of the proposed numerical method is assesed and numerical results are compared to data obtained from an experimental setup used within a hydrodynamic tunnel. Numerically, a good reproduction of the behaviour of the plate is obtained, both in terms of displacement and spectral levels. The acoustic levels are also compared to their numerical counterparts at the position of the transducer. Moreover, an experimantal analysis is performed, for backward and forward steps of height smaller than the thickness of the boundary layer, in order to investigate the influence of such configurations on the boundary layer excitation and on the vibroacoustic response

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Cerqueira, Stéphane. "Étude du couplage aéro-mécanique au sein des moteurs à propergol solide." Thesis, Paris, ENMP, 2012. http://www.theses.fr/2012ENMP0011/document.

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Abstract:

Les Moteurs à Propergol Solide sont le siège d'instabilités de combustion qui se manifestent par des fluctuations de la pression interne et, en conséquence, de la poussée induite. Les phénomènes oscillatoires observés résultent d'un couplage entre l'acoustique de la chambre de combustion et une ou plusieurs instabilités hydrodynamiques de l'écoulement interne.Dans cette thèse, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement induit par injection pariétale en géométrie axisymétrique. Plus particulièrement, on se concentre sur l'interaction qui peut avoir lieu entre cet écoulement et une structure : les Protections Thermiques de Face.Une étude expérimentale reposant sur le montage gaz froid VALDO de l'ONERA, modélisation représentative des MPS P230, a permis d'examiner l'influence d'obstacles, rigides et en élastomère, sur les instationnarités de l'écoulement. Le caractère instable de l'écoulement induit par injection pariétale est alors confirmé et le rôle primordial joué par les PTF sur les fréquences émergeant au sein de l'écoulement a été identifié.L'analyse de stabilité linéaire de l'écoulement, conduite en approche globale, permet l'étude de sa dynamique en tant qu'amplificateur de bruit. Les m¶mécanismes mis en jeu dans l'instabilité de l'écoulement induit par injection pariétale ainsi que son interaction complexe avec la couche de cisaillement issue de l'obstacle sont analysés. La réponse de l'écoulement à un forçage harmonique est alors examinée à la lumière des résultats expérimentaux.Cette étude a été complétée par une approche numérique de l'Interaction Fluide-Structure sur une configuration jugée critique. Une étape préliminaire à la simulation multi-physique est l'élaboration d'un modèle réaliste du comportement des PTF en élastomère. L'identification et la prise en considération des mécanismes propres aux élastomères dans la loi de comportement est ainsi détaillée. Les résultats issus des simulations sont confrontés aux résultats expérimentaux et rendent possible la validation d'un scénario de couplage dédié à l'Interaction Fluide-Structure au sein des MPS
Fluid Structure Interaction of an inhibitor with the internal flow induced by wall injection was studied in an axisymmetric cold flow apparatus. Experiments were carried out over a wide range of injection velocities in order to underline how the obstacle not only modifies the mean flowfield but also its entire dynamic behaviour.The resulting instability (from the interaction of the unstable shear layer with the Taylor-Culick flow) exhibits a significant shift with respect to the Taylor-Culick instability and therefore emphasizes the strong impact of the inhibitor on hydrodynamics.The mecanisms responsible of such behaviour are studied in this thesis with the help of global linear stability analysis and multi-physics numerical computations

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Levenez, Hauchecorne Marc. "Contribution à l'étude de l'interaction non linéaire entre le milieu marin et une structure cylindrique rigide." Le Havre, 2003. http://www.theses.fr/2003LEHA0010.

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Abstract:

Ce travail expérimental traite des effets d'un écoulement oscillant plan ou elliptique sur un cylindre rigide de section circulaire. Les écoulements oscillants étudiés sont créés autour du cylindre par les déplacements périodiques de celui-ci au sein d'une cuve d'eau au repos. La première partie de cette étude porte sur la mise au point et la qualification du dispositif expérimental permettant l'acquisition des efforts et l'enregistrement vidéo des sillages générés par un écoulement oscillant. La visualisation des sillages est réalisée par traceurs solides ; elle permet d'observer l'influence de l'amplitude réduite AX/D sur la longueur de la zone de recirculation LR pendant la phase de démarrage de l'écoulement. Les mesures d'efforts réalisées montrent une bonne corrélation avec les différentes organisations du sillage qui sont classées dans le plan (?,KC) sur les plages suivantes : 700
This experimental job treats about the effects of an oscillating plane or elliptic flow on a rigid circular cylinder. The studied oscillating flows are generated auround the cylinder by periodical movements of the cylinder in a still water tank. The first part of this study concerns regulating and the qualification of experimental device which gives the acquisition of strengthes and the video recording of wakes done by oscillating flow. The flow visialization is carried out by floating particules ; it allows to observe the influence of reduced amplitude AX/D on the length of drag zone LR during the starting phase of flow. The strength measurements made, show a good correlation with the different flow patterns which are classified in the (?,KC) plane on the following ranges : 700

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Mohamad-Alderf, Nisrine. "Prédiction numérique des aspects instationnaires du surenfoncement dynamique d'un navire dans des chenaux fortement confinés." Compiègne, 2010. http://www.theses.fr/2010COMP1854.

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Abstract:

Nous nous intéressons à la modélisation numérique par éléments finis du phénomène de surenfoncement dynamique des navires. Il est proposé une chaîne de traitement numérique modulaire et donc interchangeable. Celle-ci permet d'étudier l'interaction entre m écoulement bidimensionnel à fond variable et à surface libre. Ce modèle est validé par m modèle malique d'équilibre dynamique basé sur l'extension de la théorie de Schijf (1949) aux effets dynamiques. L'intégration des contributions dynamiques du surenfoncement nous a permis de mettre en cause les critères de stabilité définis par les approches actuelles
We present a numerical model for dynamic phenomenon of squat by finite elements analysis. Lt proposes a set of modular and numerical tools therefore interchangeable. This model enables the study of the interaction betwen a two-dimension potential flow, in highly restricted waterways on irregular shaped bottom with stationary free surface. The proposed model has been validated by a stability model based on the extension of the one dimensional theory of Schijf (1949) to the dynamic effects. It is shown by testing into account the dynamic contributions of squat, the condition of stability given by the current approaches is not valid anymore

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Rebufa, Jocelyn. "Vibrations de ligne d'arbre sur paliers hydrodynamiques : influence de l'état de surface." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEC044/document.

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Abstract:

Le palier hydrodynamique est une solution de guidage en rotation particulièrement appréciée pour ses caractéristiques d’amortissement à hautes vitesses de rotation. Cependant les performances des machines tournantes lubrifiées par un film fluide sont impactées par des effets non linéaires difficiles à analyser. La prédiction du comportement du système par la simulation nécessite une modélisation avancée de l’écoulement de lubrifiant dans le palier hydrodynamique. Enfin, l’état de surface semble avoir un impact important sur l’écoulement du fluide lubrifiant, lui-même agissant sur les caractéristiques statiques et dynamiques des parties tournantes. Cette étude vise à améliorer les modèles numériques liés à l’impact de l’état de surface des paliers hydrodynamiques sur la dynamique de ligne d’arbre. La méthode d’homogénéisation multi-échelles a été utilisée à cet effet dans un algorithme multi-physiques pour décrire l’interaction entre la structure flexible en rotation et les films fluides des supports de lubrification. Différents modèles ont été utilisés pour prendre en compte la présence de zone de rupture de film lubrifiant. Des méthodologies non-linéaires fréquentielles ont été mises en place afin de permettre l’étude paramétrique des solutions périodiques d’un tel système et de leur stabilité. Afin de confronter ce modèle complexe à la réalité, un banc d’essai miniature a également été conçu. Différents échantillons présentant des états de surface modifiés par ablation à l’aide de LASER femto-seconde ont été testés. L’étude expérimentale a permis de vérifier certaines tendances prévues par la simulation. Des améliorations des performances des paliers hydrodynamiques par rapport aux vibrations auto-entretenues du système ont été démontrées pour certaines textures. En revanche toutes les améliorations ne sont pas prédites par les algorithmes d’homogénéisation multi-échelles. La présence de recirculation dans les aspérités du motif a été mise en évidence à partir de la résolution locale des équations de Navier-Stokes. Ce résultat participe à la remise en question des hypothèses classiques utilisées en texturation, et peut justifier les améliorations obtenues expérimentalement avec les paliers texturés
The hydrodynamic bearing provides good damping properties in rotating machineries. However, the performances of rotor-bearings systems are highly impacted by nonlinear effects that are difficult to analyze. The rotordynamics prediction requires advanced models for the flow in the bearings. The surface of the bearings seems to have a strong impact on the lubricant flow, acting on the static and dynamic properties of the rotating parts. This study aims to enhance the simulation of the bearings’ surface state effect on the motion of the rotating shaft. The flexible shaft interacts with textured hydrodynamic bearings. Multi-scales homogenization is used in a multi-physics algorithm in order to describe the fluid-structure interaction. Different models are used to account for the cavitation phenomenon in the bearings. Nonlinear harmonic methods allow efficient parametric studies of periodic solutions as well as their stability. Moreover, a test rig has been designed to compare predictions to real measurements. Several textured shaft samples modified with femto-seconds LASER surface texturing are tested. In most cases the experimental study showed similar results than the simulation. Enhancements of the vibration behaviors of the rotor-bearing system have been revealed for certain texturing patterns. The self-excited vibration, also known as "oil whirl" phenomenon, is stabilized on a wide rotating frequency range. However, the simulation tool does not predict well the enhancements that are observed. Vortices in surface texturing patterns have been revealed numerically with Navier-Stokes equation resolution. These results are opposed to the classical lubrication hypothesis. It is also a possible explanation of the enhancements that are experimentally measured with textured bearings

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Träsch, Martin. "Caractérisation expérimentale et numérique du comportement hydrodynamique d’une hydrolienne à membrane ondulante." Thesis, Lille 1, 2019. http://www.theses.fr/2019LIL1I009/document.

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Abstract:

La thèse présentée dans ce document concerne la caractérisation du comportement d’une hydrolienne à membrane ondulante. Ce dispositif novateur utilise les instabilités de flottement d’une membrane semi-rigide précontrainte dans un écoulement pour capter l’énergie des courants marins. À partir d’une certaine vitesse critique de l’écoulement, une onde se propage le long de la structure, ce qui actionne des convertisseurs linéaires fixés sur celle-ci. Un modèle expérimental à échelle réduite 1/20eme est développé et testé en bassin d’essai. Le système de conversion est simulé par des amortisseurs hydrauliques. Les mesures de trajectoire et d’efforts permettent d’analyser la dynamique de la membrane pour un grand nombre de configurations et d’aboutir à une étude paramétrique. Des conditions réalistes d’écoulement sont étudiées, notamment l’influence de la direction du courant et celle de la houle sur le fonctionnement du système. La caractérisation du sillage est effectuée par mesures de vélocimétrie laser en 2D. Les effets d’échelle sont présentés à travers une comparaison des essais en bassin et en mer. Un modèle analytique et un modèle numérique sont développés et comparés avec les résultats d’expériences. Le modèle analytique linéaire est basé sur la théorie des poutres de Euler-Bernouilli et la théorie des profils minces de Lighthill. Il est résolu dans le domaine fréquentiel et donne de bons résultats en termes de fréquence d’ondulation et de vitesse critique. Le modèle numérique est fondé sur le couplage fort entre un code fluide basé sur la méthode vortex et un code structure utilisant les éléments finis en corotationnel. Ce modèle est validé sur un cas expérimental
The thesis presented in this document deals with the characterization of the behavior of an undulating membrane tidal energy converter. This kind of device uses the flutter instabilities occurring between a semi-rigid pre-strained membrane and a fluid flow in order to convert the sea currents energy. Above a certain critical flow speed, the structure undulates, thus activating the linear converters fixed on it. In order to study this system, an experimental model is developed and tested in a flume tank. The power conversion system is simulated by hydraulic dampers. The membrane’s dynamics is analyzed in many configurations through trajectory and force measurements, and leads to a parametric study. More realistic flow conditions are also studied, such as the impact of current direction influence and the influence of surface waves on the behavior of the system. Wake characterization is carried out with two-dimensional PIV measurements. Scale effects and confinement are also studied through a comparison with a bigger scale prototype tested in tank and at sea.In addition to the experimental study, an analytical model and a numerical model are developed and compared with experiments. The linear analytical model is based on Euler-Bernouilli’s beam theory and on Lighthill’s slender body theory. It is solved in the frequency domain and gives good undulation frequency and critical speed results. The numerical model uses strong interactions between a fluid code using the vortex method and a structure code based on corotationnal finite elements. This model is validated on an experimental case

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Caleyron, Fabien. "Simulation numérique par la méthode SPH de fuites de fluide consécutives à la déchirure d'un réservoir sous impact." Phd thesis, INSA de Lyon, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00711040.

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Abstract:

Le récent développement des menaces terroristes renforce l'effort de recherche du CEA et d'EDF pour la protection des citoyens et des installations. De nombreux scénarios doivent être envisagés comme, par exemple, la chute d'un avion de ligne sur une structure de génie civil. La dispersion du carburant dans la structure, son embrasement sous forme de boule de feu et les effets thermiques associés sont des éléments essentiels du problème. L'utilisation de modèles numériques est indispensable car des expériences seraient difficiles à mettre en œuvre, coûteuses et dangereuses. Le problème type que l'on cherche à modéliser est donc l'impact d'un réservoir rempli de fluide, sa déchirure et la dispersion de son contenu. C'est un problème complexe qui fait intervenir une structure mince avec un comportement fortement non-linéaire allant jusqu'à rupture, un fluide dont la surface libre peut varier drastiquement et des interactions fluide-structure non permanentes. L'utilisation des méthodes numériques traditionnelles pour résoudre ce problème semble difficile, essentiellement parce qu'elles reposent sur un maillage. Cela complique la gestion des grandes déformations, la modélisation des interfaces variables et l'introduction de discontinuités telles que les fissures. Afin de s'affranchir de ces problèmes, la méthode sans maillage SPH (\og Smoothed Particle Hydrodynamics \fg) a été utilisée pour modéliser le fluide et la structure. Ce travail, inscrit dans la continuité de recherches précédentes, a permis d'étendre un modèle de coque SPH à la modélisation des ruptures. Un algorithme de gestion des interactions fluide-structure a également été adapté à la topologie particulière des coques. Afin de réduire les coûts de calcul importants liés à ce modèle, un couplage avec la méthode des éléments finis a également été élaboré. Il permet de n'utiliser les SPH que dans les zones d'intérêt où la rupture est attendue. Finalement, des essais réalisés par l'ONERA sont étudiés pour valider la méthode. Ces travaux ont permis de doter le logiciel de dynamique rapide Europlexus d'un outil original et efficace pour la simulation des impacts de structures minces en interaction avec un fluide. Un calcul démonstratif montre enfin la pertinence de l'approche et sa mise en œuvre dans un cadre industriel.

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Huang, Zhaoyuan. "Ship-waves modelling and their interactions with inland waterways." Electronic Thesis or Diss., Compiègne, 2022. http://www.theses.fr/2022COMP2686.

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Abstract:

Le sujet de thèse concerne la Modélisation de l’impact de la navigation fluviale sur la voie navigable par les méthodes CFD, en utilisant OpenFoam. Dans la première partie de la thèse, l’hydrodynamique des navires en milieux confinées a été étudiée. Elle consiste en la caractérisation de l’écoulement autour du navire et la génération des vagues de batillage en fonction des caractéristiques géométriques et cinématiques du bateau et également des caractéristiques géométriques du chenal de navigation. Pour cela, une étape de modélisation numérique adaptée à la navigation en milieux confinés, qui concerne le choix du type de maillage, de schéma numérique, etc.., a été élaborée. La deuxième partie est consacrée (i) tout d’abord à la validation et la comparaison des résultats numériques avec les mesures expérimentales en laboratoire du CNR (Compagnie Nationale du Rhône) (ii) ensuite à l’examen de la résistance à l’avancement du bateau suivant différentes configurations géométriques du canal de navigation (largeur, profondeur d’eau, etc.…) (iii) enfin, à la modélisation des processus du Sinkage et du Trim du bateau et à leur influence sur la résistance à l’avancement du bateau. Outre les dimensions géométriques du canal de navigation, l’enfoncement, le tirant d’eau, et la vitesse du bateau ont été également pris en compte pour étudier leur influence sur la résistance à l’avancement. La troisième partie de la thèse est consacrée à l’étude de l’influence des vagues d’étrave et des ondes de batillage générées par le déplacement des bateaux sur les berges des voies navigables et notamment sur la stabilité des blocs de protection des berges. Les blocs forment ici un milieu discret et sont considérés comme des corps rigides susceptibles d’entrer en collision les uns avec les autres et avec les berges. Ainsi, dans cette partie, un modèle de corps rigides à 6 Degrés de Liberté (6DoF), qui tient compte de la forme des blocs, a été utilisé pour (i) tenir compte des processus de contact et de collision solide-solide et solide-bords rigides et pour (ii) étudier la stabilité de la berge, en se basant sur la moyenne des mouvements des blocs
The subject of this thesis concerns the investigation of ship hydrodynamics, shipinduced wave modeling, and wave-bank interactions in restricted waterways by CFD approaches based on OpenFOAM. The first part of this thesis is focused on the study of the hydrodynamics of ships in a restricted environment. This consists of the characterization of the flow around the ship and the generation of waves according to the geometric and kinematic characteristics of the ship and also the geometric characteristics of the waterway channel. To this end, the steps of numerical modeling adapted to navigation in a confined environment, which concern the preference of meshgeneration, numerical schemes, etc., was developed. The second part is devoted (1) first to the validation and comparison of the numerical results with the experimental measurements from the laboratory of the CNR (Compagnie Nationale du Rhône) are carried out; (2) next to the examination of the ship’s forward resistance according to different geometric configurations of the waterway channel (width, water depth, slope, etc.) (3) finally, to the implementation of a six-degree-of-freedom model (6DoF) to assist in the modeling of the sinkage and trim processes of ships in restricted waterways. Meanwhile, the critical effects of ships under different speed conditions in restricted environments were also researched and analyzed. The third part of the thesis deals with the study of the influence of waves induced by ships on the banks of inland waterways and in particular on the stability of the bank protection blocks. The erosion effect caused by the impact and shear of ship-induced waves on the exposed river bank was studied. The armor protection layer on the river bank is composed of discrete blocks and these blocks are regarded as rigid bodies that can collide with each other and with the banks. Thus, in this part, a CFD-DEM solver, SediFoam, was applied to (1) take into account the solid-solid and solid-boundary of domain rigid contact and collision processes and (2) investigate the stability of the rocky layer of banks, based on the average of the movements of the blocks

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Otsuka, Masahiko. "Applications effectives de l'onde de choc hydrodynamique générée par pulsation électrique ou par explosion." Lille 1, 2007. https://pepite-depot.univ-lille.fr/RESTREINT/Th_Num/2007/50376-2007-9.pdf.

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Abstract:

L'onde de choc générée par une explosion ou par pulsation électrique, peut être utilisée pour des fins industrielles. Pour la fabrication de pièces mécaniques, dans l'industrie automobile ou aéronautique, la pratique utilisée est l'emboutissage. Les difficultés numériques rencontrés dans l'emboutissage, comme le retour élastique, nécessitent le passage d'un calcul explicite à un calcul implicite, car le temps d'amortissement de la structure est relativement long par rapport au temps de chargement. L'emboutissage pose aussi un problème de coût industriel. Le chargement dynamique due à la présence de la presse dans un problème d'emboutissage, peut aussi être généré par des pressions ou ondes de choc provoquées par une ou plusieurs explosions dans un milieu hydrodynamique. Le but de cette recherche, dont une partie est expérimentale, validée par des simulations numériques, consiste à modéliser le chargement dynamique dans les problèmes à dynamique rapide, en utilisant une suite de points et d'instants de détonation. Les ondes de choc générés par les différentes détonations provoquent dans un milieu hydrodynamique, un chargement dynamique sur la structure, et donc une interaction fluide structure, similaire au chargement de la presse. Ce chargement se produit dans un milieu fluide ( eau) dont les propriétés d'amortissement des vibrations de la structures sont plus importantes et plus efficaces que dans le milieu atmosphérique. La modélisation numérique des phénomènes de détonation nécessitent la résolution des équations de Navier Stokes compressibles pour le fluide et les équations de la dynamique des structures, en utilisant un algorithme de couplage fluide structure
A choc wave generated by an underwater explosion or electric pulsed power can be used for industrial applications. Ln automotive and aerospace industry, sheet metal forming is usually used for parts production. Ln metal forming we usually encounter numerical difficulties as spring back problems, which requires implicit time integration, since the time for the structure to damp out from high frequency vibrations is long compare to loading time. Metal forming has a high cost for industrial applications. . Pressure loading due to the press machine in metal forming can be generated through pressure waves from detonation points in hydrodynamic medium. The aim of this work, which has an experimental part, that is validated by numerical simulation, consists of generating pressure waves for dynamic problems, through discrete detonation points, at different locations and detonating at different detonation time. Pressure waves from detonation create a structure loading similar to the one created by the press machine in metal forming. The problem is a fluid structure interaction problem, where the fluid has high damping properties compare to those of ambient air. The fluid is solved using compressible Navier-Stokes equations with equation of state relative to explosive material, the structure is solved with structural dynamic equations, using explicit time integration

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Gartner, Nicolas. "Identification de paramètres hydrodynamiques par simulation avec Smoothed Particle Hydrodynamics." Electronic Thesis or Diss., Toulon, 2020. http://www.theses.fr/2020TOUL0004.

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Cette thèse porte sur les techniques de simulations des interactions dynamiques entre un véhicule sous-marin et l'eau qui l'entoure. L'objectif principal est de proposer une solution satisfaisante pour pouvoir, en amont du processus de conception, tester des algorithmes de contrôle et des formes de coques pour véhicules sous-marins. Il serait alors intéressant de pouvoir simuler en même temps la dynamique du solide et celle du fluide. L'idée développée dans cette thèse est d'utiliser la technique Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH), qui est très récente et qui modélise le fluide comme un ensemble de particules sans maillage. Afin de valider les résultats de simulations une première étude a été réalisée avec un balancier hydrodynamique. Cette étude a permis la mise au point d'une méthode innovante d'estimation de paramètre hydrodynamique (forces de frottement et masse ajoutée) qui est plus robuste que les méthodes existantes lorsqu'il est nécessaire d'utiliser des dérivées numériques du signal mesuré. Ensuite, l'utilisation de deux types de solveur SPH : Weakly Compressible SPH et Incompressible SPH, est validée en suivant la démarche de validation proposée dans cette thèse. Sont étudiés, premièrement, le comportement du fluide seul, deuxièmement, un cas hydrostatique, et enfin un cas dynamique. L'utilisation de deux méthodes de modélisation de l'interaction fluide-solide : la méthode de réflexion de la pression et la méthode d'extrapolation est étudiée. La capacité d'atteindre une vitesse limite due aux forces de frottement est démontrée. Les résultats d'estimation des paramètres hydrodynamiques à partir des essais de simulation est finalement discutée. La masse ajoutée simulée du solide s'approche de la réalité, mais les forces de frottement semblent actuellement ne pas correspondre à la réalité. Des pistes d'améliorations pour pallier à ce problème sont proposées
This thesis focuses on techniques that allows the simulation of dynamic interactions between an underwater vehicle and the surrounding water. The main objective is to propose a satisfactory solution to be able to test control algorithms and hull shapes for underwater vehicles upstream of the design process. In those cases, it would be interesting to be able to simulate solid and fluid dynamics at the same time. The idea developed in this thesis is to use the Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) technique, which is very recent, and which models the fluid as a set of particles without mesh. In order to validate the simulation results a first study has been performed with a hydrodynamic pendulum. This study allowed the development of an innovative method for estimating the hydrodynamic parameters (friction forces and added mass) which is more robust than previous existing methods when it is necessary to use numerical derivatives of the measured signal. Then, the use of two types of SPH solver: Weakly Compressible SPH and Incompressible SPH, is validated following the validation approach proposed in this thesis. Firstly, the behaviour of the fluid alone is studied, secondly, a hydrostatic case, and finally a dynamic case. The use of two methods for modelling the fluid-solid interaction: the pressure mirroring method and the extrapolation method is studied. The ability to reach a limit velocity due to friction forces is demonstrated. The results of the hydrodynamic parameters estimation from simulation tests are finally discussed. The simulated added mass of the solid approaches reality, but the friction forces currently seem not to correspond to reality. Possible improvements to overcome this problem are proposed

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Peronne, Simon. "Modélisation expérimentale et analyse spatio-temporelle de l'hydrodynamique de la zone de déferlement à la zone de swash." Caen, 2010. http://www.theses.fr/2010CAEN2064.

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Abstract:

Une étude de la dynamique de la surface libre et de l'écoulement, de la zone de déferlement à la zone de swash, est proposée sur la base de résultats obtenus à partir d'une modélisation expérimentale en canaux à houles, d'un suivi lagrangien de la surface libre et de mesures eulériennes de l'écoulement interne. Après un rappel des résultats obtenus, une première partie est consacrée à la description des chaines de mesures, à la validation des outils de mesures dans cette zone et à la présentation des scénarios de houles envisagés. L'emploi d'outils algébriques et analytiques dans le traitement des données est décrit et justifié. Une méthode d'extraction de la célérité du bore en zone de surf à partir de mesures vidéo est également présentée. Le travail d'analyse s'articule en quatre étapes. Une analyse des caractéristiques du bore dans la zone de surf est proposée à partir des mesures vidéo. La génération et la libération éventuelle d'ondes secondaires (hautes ou basses fréquences) à partir de processus non-linéaires, par l'intermédiaire de différentes approches classiques et originales, est traitée. Un parallèle entre la génération d'ondes secondaires et la dissipation d'énergie potentielle est proposé, ainsi qu'une étude sur les appariements d'ondes. L'écoulement interne dans la zone de transition entre la zone de surf interne et la zone de swash est étudié afin de décrire les interactions entre les courants de retour générés durant la phase de backwash et le bore incident. Enfin, après avoir fait une analyse des conditions aux limites en zone de surf interne, une dernière partie est consacrée à l'étude de l'écoulement dans la zone de swash, des contraintes sur le fond et du coefficient de friction associé
A study on the dynamics of the free surface and flow from the surf zone to the swash zone is proposed, based on results obtained from an experimental model in wave flumes, monitoring Lagrangian of the free surface and Eulerian measurements of the internal flow. After an inventory of results related to this area, a first part is devoted to the description of measuring systems, validation of measurement tools in this area and the presentation of the possible swells scenarios. Secondly, the use of algebraic and analytic tools in data processing is described and justified. A method for extracting the bore velocity from the surf zone from video measurements is also presented. The analytical work is divided into four stages. An analysis of the characteristics of the bore in the surf zone is proposed based on the video measurements. Then, the generation and eventual release of secondary waves (high or low frequencies) from non-linear processes, through different approaches classical and original, is treated. A comparison between the secondary wave generation and the dissipation of the potential energy is proposed and a study on wave pairing is also written. Thus, the internal flow in the transition zone between the inner surf zone and swash zone is studied to describe the interactions between offshore currents generated during the backwash phase and incident bore. Finally, after an analysis of boundary conditions in the inner surf zone, the last part is devoted to the study of the flow in the swash zone and the related bottom shear stress and friction factor

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Randrianantenaina, Cyriaque Donat. "Contribution à l'étude expérimentale des écoulements confinés à surfaces libres : application à l'interaction fluide-structure dans un compartiment de JIG artisanal." Thesis, Le Havre, 2016. http://www.theses.fr/2016LEHA0033/document.

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Abstract:

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse en co-tutelle concerne deux domaines d’étude de l'interaction fluide-structure. Le premier relevant du Génie Minier traite de l'interaction entre une grille mobile au sein d'un sluice et de l'écoulement confiné associé. Le second relevant de l'Hydrodynamique fondamentale porte sur l'interaction d'un cylindre monté sur appuis souples et un écoulement à surface libre en présence de fond. Notre travail contribue à l’étude des écoulements confinés à surface libre par une approche expérimentale. Nous avons couplé des techniques de visualisation par caméra CCD, de mesures de champs de vitesse par PIV et d'efforts hydrodynamiques pour qualifier la dynamique des objets en mouvement dans l'écoulement. Les méthodes et dispositifs expérimentaux sont alors appliqués à l'étude de l'écoulement autour de deux maquettes simplifiées d'un JIG à grille mobile puis à celui du cylindre vibrant sous l'effet de l'écoulement. L’acquisition par PIV suivi des traitements statistique multi-variables par POD nous a permis d'étudier l'évolution des zones de recirculation dans le compartiment ainsi que le champ de vitesse instationnaire. L’étude expérimentale a été complétée par une simulation numérique par ANSYS14.5 pour la maquette de JIG et par un modèle numérique d’oscillation du sillage pour le cylindre. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence une technique simple pour mettre en mouvement, dans un sluice, un filet attaché à un cylindre et d'étudier les effets du confinement sur un cylindre vibrant en présence de surface libre
The work realized under this co-supervised thesis concerns two study areas of fluid-structure interaction. The first concerned the Mineral Engineering and deals with the interaction between a moving grate in a sluice and the confined flow associated. The second concerns the fundamental Hydrodynamics and deals with the interaction of a cylinder mounted on flexible supports and a free surface flow in presence of plane wall. Our work contributes to the study a confined free surface flow by experimental approach. We coupled techniques of CCD camera visualization, velocity fields measurements by PIV and hydrodynamic forces to qualify the dynamics of structure motion in the flow. Experimental methods and devices are applied to the study the flow around two simplified models of a moving JIG grate and then to study a vibrating cylinder due to flow. Treatments of PIV data acquisitions by multivariable statistical POD enabled us to describe evolution of recirculation zones in the compartment and unsteady velocity field. Experimental study was completed by a numerical simulation of Jig model by using ANSYS14.5 and a numerical wake oscillator model for the case of the cylinder. This work highlighted a simple technique to give motion, in a sluice, a attached net to a cylinder and to study effects of free surface flow confinement on a vibrating cylinder

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Tassin, Alan. "Modélisation tridimensionnelle d'impacts hydrodynamiques pour l'étude du tossage des bulbes d'étrave." Brest, 2010. http://www.theses.fr/2010BRES2029.

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Abstract:

L’objectif de ces travaux est de déterminer les chargements hydrodynamiques agissant lors du tossage de structures navales. La connaissance de ces chargements est par exemple importante pour le dimensionnement de bulbes d’étrave en composites abritant un sonar. Nous nous sommes orientés vers le développement d’un modèle d’impact hydrodynamique tridimensionnel basé sur la théorie de Wagner. Cette approche constitue un compromis intéressant entre précision des résultats, facilité de mise en oeuvre et temps de calcul. Dans le modèle proposé, le problème de Wagner tridimensionnel est formulé en termes de potentiel des déplacements. Une méthode numérique originale est proposée pour déterminer la ligne de contact de façon approchée. La pression est ensuite calculée en utilisant le modèle de Logvinovich modifié. L’ensemble de l’approche proposée a été appliqué à différentes formes tridimensionnelles. Ces résultats ont été comparés à des résultats d’essais d’impacts hydrodynamiques à vitesse constante réalisés à l’aide d’une machine de choc hydraulique. De plus, des résultats issus de simulations par éléments finis d’impacts hydrodynamiques ont été réalisés. L’ensemble des résultats présentés démontre les capacités prédictives de l’approche proposée ainsi que ses avantages pour une utilisation en bureau d’étude
The present work deals with the modelling of water impacts in order to determine the hydrodynamic loads occurring during bulbous bow slamming. A three-dimensional model of water impact based on the Wagner theory has been developed. Such an approach is attractive, as it is accurate for blunt bodies and requires low computational resources. A new numerical method is proposed to solve the threedimensional Wagner problem by using the displacement potential approach and the Boundary Element Method. The hydrodynamic pressure is determined with the modified Logvinovich model. The proposed approach has been used to study several three-dimensional bodies. In addition, experimental tests have been carried out by using a hydraulic shock machine and CFD investigations have been made using a Finite Element software. A very good agreement between the three approaches has been observed. Furthermore, the efficiency of the proposed approach highlights the possibility of using it as a practical tool for preliminary design or optimization

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de, Moraes Franklin Erick. "Dynamique de dunes isolées dans un écoulement cisaillé." Toulouse 3, 2008. http://thesesups.ups-tlse.fr/302/.

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Abstract:

Le transport de grains cisaillés par un fluide en écoulement est fréquemment rencontré dans la nature et dans l'industrie. Sur un sol non érodable, si le débit de grains transportés par charriage est assez faible et l'écoulement du fluide est dans un sens unique, le lit n'est pas continu, mais constitué de dunes isolées en forme de croissant: les barkhanes. On présente ici une étude expérimentale de la dynamique de dunes du type barkhanes sous un écoulement turbulent d'eau, dans une conduite de section rectangulaire. D'une part, on s'intéresse à la morphologie et à la migration des barkhanes, d'autre part nous mesurons la perturbation causée par la dune et identifions le frottement qu'il exerce sur sa surface
The transport of solid particles entrained by a fluid flow as bed-load is frequently found in nature and in industrial environments. If bed-load takes place over a non-erodible ground, and if the particles flow rate is small enough and the fluid flow one-directional, an initial thin continuous layer of particles becomes discontinuous and composed of isolated dunes with a crescentic shape: the barchans. We present here an experimental study concerning barchans dynamics when submitted to a rectangular closed-conduit turbulent fluid flow. On the one hand, we investigate the migration of barchan dunes. On the other hand, we investigate the fluid flow perturbation caused by the dune, in particular the shear stress acting on its surface

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Miras, Thomas. "Effets de la viscosité et de la capillarité sur les vibrations linéaires d'une structure élastique contenant un liquide incompressible." Phd thesis, Conservatoire national des arts et metiers - CNAM, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00877348.

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Abstract:

Ce travail de recherche traite du couplage entre un liquide incompressible, irrotationnel et son contenant : une structure élastique. Cette interaction fluide-structure est traitée dans le cadre des petites déformations autour d'un état d'équilibre.Dans un premier temps, on présente une méthode d'introduction des sources dissipatives visqueuses dans le liquide à partir des équations du système couplé conservatif en s'appuyant sur une approche de type fluide potentiel généralement utilisée pour traiter les problèmes de couplage fluide-structure linéarisés non amortis. Un modèle d'amortissement diagonal est alors choisi pour le liquide et les effets dissipatifs de celui-ci sont pris en compte en calculant les coefficients d'amortissement modaux. Seuls les effets dissipatifs liées à la viscosité du liquide sont alors pris en compte. Le système couplé dissipatif obtenu possède une matrice d'amortissement non symétrique. Une résolution de ce système à amortissement non classique est alors présentée et les expressions des réponses fréquentielle et temporelle linéarisées sont données pour différents types d'excitations.Dans un deuxième temps, le liquide est supposé non visqueux et les forces de tension surfacique sont prises en compte. Cette configuration concerne principalement les satellites où le système couplé est en situation de microgravité. Une formulation du problème conservatif permettant de prendre en compte l'incompressibilité du fluide, la condition de continuité à l'interface fluide structure, les effets de capillarité du fluide ainsi que les effets éventuels de précontraintes statiques est alors établie. On se propose pour cela d'utiliser une méthode énergétique via le Principe de Moindre Action. La démarche est alors décomposée en deux étapes : une étude statique afin de déterminer la position de référence, puis une étude dynamique linéarisée autour de cette position d'équilibre. Cette formulation forme notamment une base pour l'introduction des sources dissipatives liées aux effets de capillarité via la méthode précédemment introduite.

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Diallo, Djamal Moussa. "Modélisation mathématique et simulation numérique de l'hydrodynamique : cas des inondations en aval du barrage de Diama." Phd thesis, Université de Franche-Comté, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00545770.

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Abstract:

Le delta du fleuve Sénégal est le théâtre de crues importantes, le plus souvent catastrophiques et la dernière en date a nécessité l'ouverture d'une brèche dans la Langue de Barbarie qui est une fine bande de sable séparant le delta du fleuve de la mer. Depuis, cette brèche ne cesse de s'agrandir sous l'action conjuguée des eaux du fleuve et de la mer. Modéliser ce phénomène d'élargissement nécessite de connaître à tout moment les caractéristiques de l'écoulement des eaux dans le delta, y compris en période de crue. Nous avons opté pour la réalisation de deux algorithmes de simulation. C'est ce travail que je présente ici. D'une part, nous considérons l'équation de Navier-Stokes tridimensionnelle et nous faisons l'hypothèse d'une faible épaisseur d'eau, ce qui est acceptable comparé aux dimensions du delta. Cette hypothèse nous permet de faire, en chaque point, une intégration selon la verticale pour obtenir une équation de Saint-Venant bidimensionnelle simplifiée dans un plan xoy sans les hypothèses approximatives (fond plat ou conditions aux limites trop généreuses dans l'un ou l'autre, qui ne reproduisent pas fidèlement le phénomène étudié). Cette équation ne nous permet d'obtenir les champs de vitesses et de pressions que dans un plan horizontal. Pour prendre en compte les apports extérieurs responsables d'une crue, nous introduisons une équation 1D de conservation de la masse d'eau. Le couplage entre l'équation de Saint-Venant 2D et l'équation de conservation 1D conduit à une modélisation (2D1/2 et non 3D) du phénomène étudié. D'autre part, la phase d'élargissement de la brèche résulte de la problématique fluide-structure, une intéraction entre un écoulement et une structure fortement déformable. Il s'agit d'un problème multi-physique reposant sur plusieurs équations d'état (Darcy, poroélastique ...) et impliquant divers couplages. Sous l'hypothèse que les déformations de la structure dues à l'hydrodynamique restent à l'échelle microscopique, nous obtenons des résultats analytiques et numériques de l'évolution de l'interface à long terme.

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Arbie, Muhammad Rizqie. "Stability of self-propelled body wake." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4754/document.

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Abstract:

La nageoire caudale des animaux aquatiques peut être modélisée par un foil oscillant qui produit de la poussée. Le sillage moyen d'un tel foil oscillant est un jet de quantité de mouvement nette positive. Il a été proposé que les caractéristiques de stabilité de ces sillages moyens sont liées à l'efficacité de la propulsion des animaux aquatiques. Dans cet étude, nous reprenons cette question en tenant compte à la fois de la poussée et de la traînée exercée sur un corps auto-propulsé lorsqu'il nage. Nous étudions la stabilité d'une famille de sillages ayant une quantité de mouvement nulle, construit comme l'approximation d'Oseen d'un doublet de force se déplaçant à vitesse constante. En effectuant une analyse de stabilité locale, nous montrons d'abord que ces sillages subissent une transition convectif-absolu. En utilisant une approche "time-stepper" et intégrant le système de Navier-Stokes linéarisé, nous étudions la stabilité globale et mettons en évidence des effets non-parallèles de l'écoulement principal, ainsi que le rôle de la région absolument instable dans l'écoulement. Pour compléter le scénario d'instabilité globale, nous abordons l'évolution non linéaire d'une perturbation injectée dans le sillage. Ces résultats sont ensuite discutés dans le contexte de la nage d'un animal aquatique. Selon les résultats de stabilité, les sillages de quantité de mouvement nulle produit par les animaux aquatiques sont généralement stables, tandis que le sillage qui correspondrait à la poussée seule est instable. Il est essentiel de considérer toutes les forces exercées sur un animal auto-propulsé lors de l'examen de la stabilité de son sillage et l'efficacité de sa propulsion
The caudal fin of swimming animals can be modelled as a thrust-producing flapping foil. When considered alone, such a foil produces on average a jet wake with a positive net momentum. It has been argued that the instability characteristics of these averaged wakes are linked to the propulsion efficiency of swimming animals. Here, we reconsider this question by taking into account both the thrust and the drag exerted on a self-propelled swimming body. To do so, we study the stability of a family of momentumless wakes, constructed as the Oseen approximation of a force doublet moving at constant velocity. By performing a local stability analysis, we first show that these wakes undergo a transition from absolute to convective instability. Then, using the time-stepper approach by integrating the linearised Navier-Stokes system, we investigate the global stability and reveal the influence of a non-parallel base flow as well as the role of the locally absolutely unstable upstream region in the wake. Finally, to complete the global scenario, we address the nonlinear evolution of the wake disturbance. These results are then discussed in the context of aquatic locomotion. According to the present stability results, the momentumless wake of aquatic animals is generally stable, whereas the corresponding thrust part is unstable. It is therefore essential to consider all forces exerted on a self-propelled animal when discussing its wake stability and its propulsion efficiency

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Ercolanelli, Julien. "Étude numérique et expérimentale d'un système couplé stabilisateur et récupérateur d'énergie des vagues Experimental and numerical investigation of sloshing in anti-roll tank using effective gravity angle Experimental and numerical assessment of the performance of a new type passive anti-roll stabilisation system." Thesis, Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2019. http://www.theses.fr/2019ENTA0008.

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Abstract:

Le développement de Geps Techno est basé sur un concept innovant de structure flottante destinée à produire de l'énergie électrique à partir de plusieurs sources d'énergies marines renouvelables dont la source houlomotrice. Le système houlomoteur développé par Geps Techno repose sur la mise en circulation d'eau et la création d'un tourbillon en son sein. En profitant du phénomène de carène liquide, le concept est également déclinable en un système de stabilisation de navire ou de toute autre plateforme flottante. L'objectif à court terme de la société est le développement de cette technologie permettant la stabilisation et la récupération de l'énergie des vagues et pour lequel il reste des verrous technologiques à lever afin d'arriver à la viabilité et la rentabilité du système. Pour cela, Geps Techno a lancé en octobre 2015 le projet IHES (Integrated Harvesting Energy System) qui consiste à construire un démonstrateur de son concept de plateforme houlomotrice. Le projet IHES est un des projets de la feuille de route du plan "Navires écologiques" de la Nouvelle France Industrielle. Il est soutenu par Bpifrance dans le cadre du programme d'Investissements d'Avenir - Projets Industriels d'Avenir. Afin de maîtriser les objectifs de stabilisation et de récupération d'énergie, Geps Techno étudie les volets technologiques nécessaires permettant de passer de l'énergie disponible au niveau des vagues jusqu'à celle disponible au niveau de la turbine du houlomoteur. Les travaux de thèse soutenus par Fourestier en mai 2017 portaient sur un premier volet "Définition et contrôle des écoulements internes au système houlomoteur". A l'aide d'une modélisation des fluides numériques, ces derniers ont abouti à des modèles opérationnels caractérisant les écoulements internes. La présente thèse Cifre s'inscrit dans la continuité des travaux de Fourestier et traite d'un second volet "Modélisation du système couplé plateforme / houlomoteur". L'ensemble de ces travaux devra aboutir à un code de calcul opérationnel et corrélé à des résultats expérimentaux permettant d'étudier l'écoulement interne et le comportement du flotteur soumis à la houle
Geps Techno's development is based on an innovative concept of a floating structure intended to produce electrical energy from several renewable marine energy sources, including wave power. The wave power system developed by Geps Techno is based on circulating water and creating a vortex within it. By taking advantage of the liquid hull phenomenon, the concept can also be used as a stabilization system for a ship or any other floating platform. The short-term objective of the company is the development of this technology allowing the stabilization and recovery of wave energy and for which there remain technological obstacles to be removed in order to achieve the viability and profitability of the system. To do this, in October 2015 Geps Techno launched the IHES (Integrated Harvesting Energy System) project, which consists of building a demonstrator of its wave power platform concept. The IHES project is one of the projects of the roadmap of the "Ecological ships" plan of New Industrial France. It is supported by Bpifrance within the framework of the Investments for the Future - Industrial Projects for the Future program. In order to master the objectives of stabilization and energy recovery, Geps Techno is studying the technological aspects necessary to switch from the energy available at wave level to that available at the wave turbine turbine. The Ph.D. thesis work supported by Fourestier in May 2017 focused on a first part "Definition and control of internal flows in the wave power system". Using CFD modeling, the latter resulted in operational models characterizing internal flows. This Cifre Ph.D. thesis follows on from Fourestier's work and deals with a second part "Modeling of the coupled platform / wave power system". All of this work should lead to an operational computer code correlated with experimental results making it possible to study the internal flow and the behavior of the float subjected to swell

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Robert, Marie. "Modélisation numérique du comportement hydroélastique des navires sur houle non linéaire." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2017. http://www.theses.fr/2017ECDN0047.

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Abstract:

Avec l’accroissement de la taille des navires marchands de type porte-conteneurs, les interactions entre la réponse de tenue à la mer classique et la réponse structurelle sont de plus en plus présentes. Les fréquences propres de réponse structurelle de la poutre navire se rapprochent des fréquences de houle océaniques. La modélisation des interactions houlestructure devient un enjeu clé dans les étapes de design par les architectes et de validation par les sociétés de classification. Dans ce contexte, on se propose de développer un nouvel outil d’interaction fluide-structure associant une modélisation RANSE de l’écoulement en différences finies sous ICARE-SWENSE, code développé conjointement par le LHEEA et la société HydrOcéan, et un modèle de poutre analytique, le tout dans le cadre d’une approche modale. Grâce à l’emploi d’une formulation simple pour le traitement de la structure, l’outil de couplage hydroélastique sur houle hérite des propriétés de tolérance aux grands pas de temps d’ICARE-SWENSE, tout en prenant en compte les effets hydrodynamiques non linéaires. Les résultats présentés sur des cas de barge en diffraction et en radiation suivant les modes de déformation élastique permettent de valider les premières étapes de la mise en place du couplage. Une attention particulière est portée sur les seuils d’apparition des non linéarités de l’écoulement et leur impact sur la réponse structurelle. Une première implémentation est proposée pour la résolution du modèle libre des modes élastiques. Des études paramétriques de résistance ajoutée sur houle régulière et bichromatique viennent compléter les travaux dans la perspective de futurs calculs sur houle irrégulière
The increase of large ships dimensions shifts their structural natural frequencies towards common wave frequencies, inducing more interactions between the classic seakeeping response and the structural response. Accurate modeling of wavestructure interactions becomes a key issue for architects and classification societies during the design of a ship. In this respect, a new numerical tool for fluidstructure interaction is developed, combining a finite difference RANSE description of the fluid domain with ICARE-SWENSE and an analytic beam model, within a modal approach. Thanks to the use of a simple formulation for the structure part, the tool inherits ICARE-SWENSE tolerance properties with regard to large time steps, while still taking into account hydrodynamic nonlinear effects. Results presented for a flexible barge in diffraction and radiation according to flexible modes validate the first steps of the coupling procedure. Special consideration is given to hydrodynamic non linearities threshold and their impact on the structural response. A first implementation is shown for the resolution of the equation of motion for the elastic degrees of freedom. Parametric studies on ship resistance in both regular and bichromatic waves are included as a stepping stone towards future simulations of ship hydroelasticity in irregular waves

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Linde, Florian. "3D modelling of ship resistance in restricted waterways and application to an inland eco-driving prototype." Thesis, Compiègne, 2017. http://www.theses.fr/2017COMP2389/document.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse ont pour but de développer un prototype d’éco-pilote, nommé EcoNav, permettant d’optimiser la vitesse d’un bateau afin de réduire sa consommation de carburant. EcoNav est composé de plusieurs modules dont : un modèle hydraulique 2D simulant l’écoulement hydrodynamique (vitesse du courant et hauteur d’eau) le long du trajet du bateau; - un modèle de résistance à l’avancement servant à alimenter un modèle de prédiction de la consommation de carburant; - un algorithme d’optimisation permettant de trouver le profil optimal de vitesse. Afin de pouvoir estimer la consommation de carburant, un modèle numérique de la résistance à l’avancement en milieu confiné a été développé durant la première partie de cette thèse. Ce modèle numérique 3D simule l’écoulement du fluide autour du bateau et permet de calculer les forces agissant sur sa coque. La résolution des équations RANS est couplée avec un algorithme de quasi-Newton afin de trouver la position d’équilibre du bateau et calculer son enfoncement. Cette méthode est validée en comparant les résultats numériques avec des résultats expérimentaux issus d’essais en bassin de traction. L’influence de l’enfoncement sur la résistance à l’avancement et la précision de la méthode est étudiée en comparant les résultats numériques obtenus avec et sans enfoncement. La précision des modèles empiriques de prédiction de la résistance à l’avancement est également comparée à celle du modèle numérique. Enfin, le modèle numérique est utilisé afin de déterminer si le confinement en largeur ou en profondeur ont une influence identique sur l’augmentation de résistance à l’avancement. Les résultats de cette étude permettent d’établir si le confinement de la voie d’eau peut être caractérisé à l’aide d’un paramètre unique (coefficient de blocage par exemple) ou bien deux paramètres permettant de distinguer le confinement latéral et vertical. Dans la seconde partie de cette thèse, les méthodes numériques utilisées pour le modèle d’éco-pilote sont décrites et comparées afin de sélectionner celles qui sont le plus adaptées à chaque module. EcoNav est ensuite utilisé afin de modéliser un cas réel : celui du bateau automoteur Oural navigant sur la Seine entre Chatou et Poses (153 km). La consommation optimisée est comparée à la consommation non optimisée, calculée à partir des vitesses AIS observées sur le tronçon étudié. L’influence de la trajectoire du bateau et de son temps de parcours sur sa consommation sont également étudiés. Les résultats de ces investigations ont montré qu’optimiser la vitesse du bateau permet d’obtenir une réduction de la consommation de carburant de l’ordre de 8 % et qu’optimiser la trajectoire du bateau ainsi que prendre en compte des informations en temps réel (disponibilité des écluses, trafic sur le fleuve) peuvent permettre de réaliser des économies de carburant supplémentaires
An eco-driving prototype, named EcoNav, is developed with the aim of optimizing a vessel speed in order to reduce fuel consumption for a given itinerary. EcoNav is organized in several modules : - a 2D hydraulic model simulating the flow conditions (current speed and water depth) along the itinerary; - a ship resistance model calculating the thrust necessary to counteract the hydrodynamic forces ; - a fuel consumption model calculating the fuel consumption corresponding to the thrust input; - a non linear optimization algorithm calculating the optimal speed profile. In order to evaluate the fuel consumption of an inland vessel, a ship resistance numerical model is developed in the first part of this PhD. This 3D numerical model simulates the flow around an inland self-propelled vessel and evaluates the hydrodynamic forces acting on the hull. A RANS solver is coupled with a quasi-Newton approach to find the equilibrium position and calculate ship sinkage. This method is validated by comparing the results of numerical simulations to towing tank tests. The numerical results with and without sinkage are also compared to study the influence of sinkage on ship resistance and on the accuracy of the method. Additionally, some empirical models are investigated and compared with the accuracy of the numerical method. Finally, the numerical model is used to determine if channel with and water depth restriction contribute to the same amount of ship resistance increase for the same level of restriction. The results of that investigation give insight to whether channel restriction can be characterized by a unique parameter (for instance the blockage ratio) or two parameters to distinguish water depth and channel with effects. In the second part of this PhD, the numerical methods used in the speed optimization model are described and validated. The speed optimization model is then used to simulate a real case: the itinerary of the self-propelled ship Oural on river Seine, between Chatou and Poses (153 km). The optimized fuel consumption is compared with the non-optimized fuel consumption, based on AIS speed profile retrieved on this itinerary. The effects of the ship trajectory and travel duration on fuel consumption are also investigated. The results of those investigations showed that optimizing the ship speed lead to an average fuel saving of 8 % and that using an optimal track and including real time information such as lock availability and river traffic can lead to additional fuel savings

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Nachtane, Mourad. "Énergies marines renouvelables et étude des performances des matériaux composites : cas d'une hydrolienne." Thesis, Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne, 2019. http://www.theses.fr/2019ENTA0010.

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Abstract:

Les énergies marines renouvelables (EMR) apparaissent aujourd’hui comme une formidable opportunité et un véritable choix écologique et industriel pour répondre à la demande croissante de l’énergie et pour lutter contre le réchauffement climatique. Au cours de cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types qui s’appelle l’énergie hydrolienne qui présente un immense potentiel dans le bouquet énergétique mondial. une nouvelle forme de pale d’une hydrolienne à axe horizontale a été développé par l’optimisation d’un hydrofoil existant en utilisant la méthode BEM (Blade Element Momentum) afin d’améliorer ses performances hydrodynamiques. La deuxième partie a été consacrée à étudier les performances mécaniques des matériaux composites comme composants structurels des pales d’hydrolienne et de la tuyère. Ces structures sont sujettes à de nombreux types de chargements, tels que les impacts de corps externes, la fatigue due à la variation des courants, mais également à diverses agressions liées à l’environnement marin telles que la variation de la température et l’humidité qui peuvent induire du vieillissement et de la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement à long terme de ces parties mobiles est donc essentielle afin de doter les bureaux d’études, confrontés au dimensionnement des structures d’énergies marines, d’outils leur permettant de faire le choix des matériaux (couplefibre/matrice), architectures fibreuses (nappe, tissus), séquence d’empilement des stratifiées minimisant la sensibilité aux chargements appliqués des structures travaillantes. L’objectif final de cette thèse est le développement d’outils et de méthodologies tant numériques qu’expérimentales capables de simuler l’impact du courant et du comportement de ces systèmes de façon couplée ce qui constitue un enjeu majeur de dimensionnement. En effet le but est d’identifier les voies d’optimisation qui permettront d’aller sur la phase commerciale avec un gain de LCOE (Levelized Cost of Energy) substantiel
Recently, Renewable Marine Energies (RME) has emerged as a tremendous opportunity for a real ecological and industrial choice to meet the growing demands for energy and also to fight global warming. The study conducted in this thesis is with in this framework of research and is focused on the investigation of one of the most promising categories of RMEs which is tidal current turbine. A new hydrofoil for the turbine was designed using BEM (Blade Element Momentum) methods and CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations with improved hydrodynamic efficiency. Furthermore, a series of numerical studies were conducted to investigate and examine the damage behavior of composite materials under critical loadings by developing DLOAD and VUMAT routines. This numerical study assisted in understanding the problems of structural lightening, resistance to fatigue and impact loading, and other degradation phenomena of themechanical properties of a composite turbine in severe marine environments and solving the needs of the manufactures. Moreover, study about the dynamic behavior of a composite/composite bonded assembly was also conducted because joint assembly plays a vital role in reducing the mass of the structure which is of extreme relevance in the field of marine and offshore structures. Another important obstacle regarding the application of composite and bonded structures in marine was the control of hygro-mechanical coupling. Therefore in this context, additional campaign of tests was carried out on bonded composite specimens by studying the hygrothermal effect on their dynamic behavior at different deformation rates using Hopkinson bar method. This hybrid study of hygro-thermal effect of the dynamic properties of the bonded composites will aid in optimization of the structures and to move into the commercial phase with a substantial gain in LCOE (Levelized Cost of Energy) in future

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Hugues, Florian. "Modelling the vibrations generated by turbulent flows in ducts." Thesis, Compiègne, 2018. http://www.theses.fr/2018COMP2470/document.

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Abstract:

La prédiction des vibrations induites par un écoulement est essentielle dans la conception des conduits de nombreuses installations industrielles, en particulier dans l’industrie du gaz. Notre étude concerne la prévision du bruit et la vibration des conduits soumis à un écoulement turbulent à faible nombre de Mach. Notre objectif est de présenter une étude numérique et expérimentale permettant aux ingénieurs de mieux comprendre le couplage entre l’excitation aléatoire et le conduit pour deux géométries (circulaire ou rectangulaire). Une approche expérimentale est développée et utilisée pour valider les prévisions numériques. Deux cas sont étudiés : (i) un conduit droit sans singularité, où les modes acoustiques du conduit sont excités par une couche limite turbulente (TBL) et (ii) un conduit droit avec un diaphragme inséré en amont qui génère une source acoustique localisée. La contribution acoustique est déterminée soit par des méthodes de mesure d’interspectres, soit à l’aide des outils de mécanique des fluides numérique (CFD) et d’analogies aéroacoustiques. La réponse de la structure est estimée par une approche dite de « couplage faible » qui utilise des fonctions de transfert modale d’un conduit fini simplement appuyé. Les mesures conduiront à évaluer et suggérer des améliorations de modèles empiriques existants de densité interspectrale de puissance (CPSD) dans un contexte d’écoulements internes turbulents. Une analyse modale expérimentale d’un conduit rectangulaire finie est confrontée à des méthodes de calcul pour évaluer l’effet des conditions aux limites, du rayonnement acoustique et de l’amortissement aérodynamique. Le couplage fluide structure est analysé par la fonction de « joint acceptance » à la fois dans le domaine spatial et dans le domaine des nombres d’onde. L’excitation comprend à la fois les contributions acoustiques et hydrodynamiques à l’aide des CPSD exprimées sur la base des fonctions de cohérence de type Corcos, champ diffus et modes acoustiques d’ordre élevé. Enfin, les études numériques et expérimentales de cette thèse ont été utilisées pour développer un cadre d’étude et de modélisation du bruit et des vibrations dans les conduites, qui relie la dynamique des fluides, les modèles analytiques et empiriques à des techniques efficaces d’analyse aléatoire
Pipeline and duct vibrations can cause a range of issues from unplanned shutdownsto decreased equipment life time. Thus, the prediction of flow-induced vibrations is essential in piping design in many industrial plants, especially, for Gas industry. This study deals with the prediction of pipe flow noise and vibration at low Mach number. We aim to present a numerical and experimental study which can offer engineers a better understanding of the coupling between random excitation and duct section for two geometries (circular or rectangular). An experimental facility and measurement approach is developed and used to validate numerical predictions. Two cases are investigated: (i) a straight duct with no singularity, duct acoustic modes are excited by the Turbulent Boundary Layer (TBL) and (ii) a straight duct with a diaphragm inserted upstream generating a localized acoustic source. The acoustic contribution is either measured via cross-spectra based methods or calculated using Computational Fluid Dynamics (CFD) and aeroacoustic analogies. The response of the structure is estimated via a ‘blocked’ approach using analytical modal Frequency Response Functions (FRFs) of a simply supported finite duct. Measurements will lead to evaluate and suggest improvements to existing Cross Power Spectral Density (CPSD) empirical models in a context of internal turbulent flows. Experimental modalanalysis of a finite rectangular duct are confronted to computational methods to assess the effect of the Boundary Conditions (BCs), the resistive damping from coupling with the internal acoustic medium and aerodynamic damping. The fluid-structure coupling is analyzed through the joint acceptance function both in the spatial and wave number domain. The excitation includes both the acoustic and hydrodynamic contributions using CPSD written on the basis of Corcos, Diffuse Acoustic Field (DAF) and acoustic duct mode coherence functions. Finally, the numerical and experimental studies in this thesis were used to develop a framework for studying and modelling pipe flow noise and vibration which links CFD, analytical and empirical models to efficient random analysis techniques

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Dissertations / Theses on the topic 'Interaction fluide-structure – Ballottement (hydrodynamique)'

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