Littérature scientifique sur le sujet « Impact fluide-Structure »

La présence d’une diversité de molécules spécifiques qui coexistent dans le lait sous forme de structures supramoléculaires, telles les micelles de caséine et les globules gras, fait de ce fluide biologique un système extraordinairement complexe, physiquement stable, capable de vectoriser les composés bioactifs présents aussi bien dans sa fraction protéique que dans sa fraction lipidique. Les avancées réalisées tant sur la composition que sur l’organisation structurale de ces structures, même s’il subsiste des zones d’ombre, nous montrent que cette organisation n’est pas sans importance sur les effets qu’elles exercent sur l’organisme. La mise en évidence dans le lait de nanovésicules sécrétées par la cellule épithéliale mammaire (lactosomes) et capables de transmettre à d’autres cellules ou organismes des informations d’une autre nature constitue, à cet égard, un nouveau champ d’investigation passionnant.

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.

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

Les impacts hydrodynamiques entre structures solides et liquides jouent un rôle crucial dans des domaines comme l'ingénierie côtière, l'aéronautique et les énergies renouvelables. Cette thèse se focalise sur l'effet peu exploré de l'aération, où l'air sous forme de bulles ou de poches modifie significativement les forces d'impact et les réponses hydrodynamiques. L'objectif central de cette thèse est d'approfondir notre compréhension des effets de l'aération sur les dynamiques complexes d'impact hydrodynamique. Cette recherche se concentre sur deux configurations expérimentales distinctes : l'impact d'une plaque plane sur une surface d'eau calme et l'impact d'un jet d'eau aéré sur une plaque plane. L'enjeu est d'examiner l'influence de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation post-impact. Pour atteindre ces objectifs, des dispositifs expérimentaux ont été conçus pour chaque cas d'étude. Ces expériences modèles nous offrent la possibilité de contrôler avec précision des paramètres cruciaux tels que la vitesse d'impact, les dimensions de la plaque, la pression ambiante, etc. Parallèlement, une attention particulière a été portée à la mesure des taux d'aération et des pressions d'impact, permettant ainsi une analyse rigoureuse des résultats. Pour l'impact de la plaque, les observations ont montré que les pressions maximales d'impact et les impulsions dévient de la théorie de von Karman, principalement à cause de l'effet amortissant de l'air. La diminution de la pression ambiante augmente les pressions d'impact, suggérant une atténuation de l'effet de coussin d'air. Concernant l'impact d'un jet d'eau aéré, une diversité de régimes d'écoulement, tels que les régimes à bulles, en bouchons, agités, et annulaires a été identifiée. L'interaction entre le nombre d'injecteurs, la pression d'air, et les caractéristiques des bulles illustre une interdépendance significative. Les effets de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation démontrent que des structures plus grandes induisent des oscillations plus lentes et des pressions adimensionnelles augmentées
Hydrodynamic impacts between solid structures and liquids play a crucial role in various strategic fields such as coastal engineering, aeronautics, and renewable energy. This thesis focuses on the less explored effect of aeration, where the presence of air in the form of bubbles or air pockets significantly alters impact forces and hydrodynamic responses. The central objective of this thesis is to deepen our understanding of aeration's effects on complex hydrodynamic impact dynamics. This research concentrates on two distinct experimental setups: the impact of a flat plate on a calm water surface and the impact of an aerated water jet on a flat plate. The challenge is to examine how aeration influences impact pressures and post-impact oscillation frequencies. To achieve these objectives, experimental setups were designed for each case study. These model experiments allow us to precisely control crucial parameters such as impact velocity, plate dimensions, ambient pressure, etc. Special attention was also given to measuring aeration rates and impact pressures, enabling rigorous analysis of the results. For the plate impact, observations showed that maximum impact pressures and pressure impulses deviate from the von Karman theory, mainly due to the damping effect of air. Reducing ambient pressure increases impact pressures, suggesting a reduction of the air cushion effect. Regarding the impact of an aerated water jet, a diversity of flow regimes, such as bubble, slug, churn, and annular flows, were identified. The interaction between the number of injectors, air pressure, and bubble characteristics demonstrates a significant interdependence. The effects of aeration on impact pressures and oscillation frequencies show that larger structures induce slower oscillations and increased dimensionless pressures

Lorsqu'un hélicoptère vol au dessus de l'eau le constructeur se doit d'anticiper l'amerrissage d'urgence (ditching) pour la sécurité de l'équipage. La solution adoptée consiste en des systèmes de flottabilités gonflables. Ces systèmes pour EUROCOPTER ont deux buts : amortir l'impact et assurer la flottabilité le temps que l'appareil soit évacué. Des normes définissent les limites du ditching en terme de vitesses d'impact et en terme d'état de mer. Lors du dimensionnement de l'appareil et des flottabilités pour l'impact des centaines de calculs sont a réitérer pour converger vers la solution optimale.Cette thèse s'inscrit dans un projet d'optimisation d'un logiciel maison voué au Ditching. Elle fait suite à celle de N.Malleron(2009) focalisée sur le cas vertical. Elle apporte des contributions à la compréhension de cette IFS complexe via différentes approches expérimentales et l'exploration de différents modèles que l'on tente de corréler avec les résultats expérimentaux
When operating on offshore conditions, helicopters may encounteremergency situations during which an immediate sealanding isrequired. In this case, the aircraft may experience a water impact event.Floatability systems are inflated to cushion the impact and toensure that the floatation is maintained while the crew evacuates.The dimensioning procedure of helicopter's floatability systemsremains very challenging. In this process, accurate prediction of thebehavior and the global loads on the helicopters floaters during ditchingis crucial. To obtain a better understanding of the floatability system,and to be able to develop more accurate models, the hydrodynamicalcharacteristics of the floaters, as flexible bodies, need to be furtherinvestigated. Experiments assessing the hydrodynamics characteristicsof these particular types of deformable bodies are rare. To this aim, anexperimental campaign has been carried out to identify the nature ofloads (global and local) and potential deformations. Numericalinvestigations are proposed to complete our understanding ofphenomena observed during experimental tests.An academic experimental campaign have been led in the flume of Ecole Centrale de Marseille. A baloon was drop from 0.5 to 2.4m with various inner pressure. Deformations and kinematics are measured and analysed before comparisons with a semi-analytical modelisation. Some results with the in-house software DITCHER are also proposed in this thesys

Cette etude porte sur les vibrations dans le vide ou en contact avec un fluide, d'une plaque elastique infinie soumise a un impact ponctuel normal a sa surface. La reponse, en deplacement et en deformation, a un impact de bille a ete calculee dans le vide par une methode analytique de transformees integrales dans le temps et l'espace, parallelement a des mesures d'extensometrie. Dans le cas du couplage, le deplacement sous l'effet d'une force harmonique ponctuelle a ete etudie en fonction de la frequence

Cette thèse est focalisée sur la caractérisation des propriétés ablatives de protections thermiques très hautes températures. Deux configurations expérimentales avec impact de jet normal à la surface ont été mises en oeuvre : l'une est basée sur une torche oxygène/acétylène (ablation qualifiée de "thermique", T = 3000°C) à l'échelle de laboratoire alors que la seconde configuration, à plus grande échelle, superpose un écoulement supersonique (Nombre de Mach = 3) à une forte température de gaz (T = 2000°C). Cette dernière configuration engendre donc une ablation qualifiée d'"aérothermique". Divers matériaux composites ont été étudiés en utilisant divers types de fibres, diverses matrices et des architectures variées. Sous le jet oxyacétylénique, l'ablation thermique est régie principalement par la thermo-oxydation du matériau (matrice puis fibres) avec une érosion mécanique limitée. La réaction de pyrolise se déroule dans son intégralité jusqu'au changement d'état total du matériau. A l'inverse, en conditions couplées aérothermiques, le jet impactant engendre une forte érosion de la surface du matériau avant le terme des réactions chimiques de pyrolyse (pour des matériaux à matrice polymère). Il semble qu'un critère mécanique local soit le principal facteur contrôlant la cinétique de récession sous ces conditions. En parallèle de ces essais expérimentaux, la caractérisation poussée de l'un des composites étudiés a été réalisée (identification de ses paramètres thermo-physiques en fonction de la température et de l'avancement de la réaction de pyrolyse), permettant le développement d'un modèle d'ablation thermique de type "ingénieur" fondé sur une cinétique d'avancement global des réactions chimiques gouvernant l'ablation. Les résultats ont été corrélés aux essais expérimentaux réalisés sous torche oxyacétylène en vue d'une future validation du modèle pour une extrapolation en conditions couplées aérothermiques
This study is focused on the characterizations of the ablative properties of different thermal protections for very high temperatures applications. Using a specific characterization method, the physical mechanisms involved during the ablation process have been identified. Two different test benches with a normal gas flow have been used in this investigation. The first one is laboratory test bench based on an oxyacetylene torch (conditions termed "thermal ablation" with a 3000°C gas temperature). The second one is a large scale facility producing a hot supersonic gas flow (Mach number = 3) and a temperature about 2000°C, leading to an "aerothermal ablation". Various composite materials have been tested by mixing different matrices, different architectures and different kind of fibers. Under thermal ablation condition (oxyacetylene torch), mass loss and surface recession are due to the thermo-oxidation reactions occurring both in the matrix and in the fibers. Once the pyrolysis reaction completed, a volatilization of the composite during the exposure is observed. In contrast, under aerothermal ablation conditions, surface recession is observed prior to the completion of the oxidation/pyrolysis reactions. Under such conditions, the degradation of local mechanical properties associated with the strong mechanical impact of the supersonic jet on the material leads to ablation. In parallel, a numerical model of ablation has been developed. One of the main requirements was to develop an engineering tool to design various types of thermal protection systems (e. G. Organic composite, ceramic composites…) and hence various ablation processes. This model is based on the oxidation/pyrolysis reactions kinetics. It has been identified for one composite material whose thermal parameters (i. E. Thermal conductivity, specific heat, density) have been fully characterized as a function of temperature and degradation state. First numerical simulations were compared to the experimental results on the oxyacetylene torch test to validate the model for a future extension of ablation modelling under aerothermal conditions

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.

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.

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

Dans les écoulements de convection naturelle en canal, de nombreuses structures cohérentes se développent. Leur rôle dans les transferts de masse et de chaleurs reste aujourd’hui mal connu. Des études numériques basées sur des Simulations aux Grandes Echelles d’un canal vertical dont un des côtés est chauffé uniformément à flux constant ont donc été entreprises. Différentes étapes de la transition laminaire-turbulente sont identifiées et deux bandes de fréquences sont observées en proche paroi chauffée. Une méthode, basée sur la Proper Orthogonal Decomposition (POD), a aussi été utilisée et a permis une très nette séparation spatio-temporelle des modes les plus énergétiques de l’écoulement en fonction des fréquences précédemment identifiées. Il devient donc possible d’étudier la contribution de ces modes à l’écoulement. Une analyse POD des champs de vitesses expérimentaux permet l’identification de similarités avec les structures observées numériquement.Les variations du gradient de température extérieur au canal, ont été identifiées comme l’une des sources de ces différences et ont fait l’objet d’études expérimentales et numériques. Il est montré qu’un augmentation du gradient positif de température diminue le débit mais aussi déplace la transition plus bas dans le canal. Les études numériques permettent également d’étudier le cas de gradients de température faibles ou négatifs, gradients qui sont difficile à obtenir expérimentalement. Un modèle théorique de l’influence de la stratification extérieure sur le débit massique induit est aussi développé. L’accord entre les résultats prédits et les résultats expérimentaux et numériques est excellent. Ce dernier point souligne que la stratification thermique est un facteur clé dans ce type d’écoulement et que son influence est précisément quantifiée dans ce travail
In natural convective flows, complex coherent structures develop whose the role in heat and mass transfer are not well understood. A numerical study, based on Large-Eddy-Simulations of a vertical channel with one side uniformly was therefore carried out. Different stages of transitional flow development were identified numerically with two characteristic frequency bands being observed in the flow, near the heated wall. Methods derived from the Proper Orthogonal Decomposition (POD) was also used and allows the most energetic modes to be separated accordingly to two characteristic frequency bands found numerically. As result, the contribution of the two families of modes to the near wall turbulent heat transfer and velocity-temperature correlation has been evaluated. POD was also performed on experimental measurements showing similarities with the numerically observed structures.In this work, variations of the external thermal stratification have been identified as one possible source of these differences and its influence was therefore investigated experimentally and numerically. It is shown that the increase in the positive gradient of the external stratification not only decreases the mass flow rate but also displaces the transition height to a lower location in the channel. Numerical simulations also allow the study of cases of weak and negative thermal stratifications which are difficult to achieve in laboratories. A theoretical model of the influence of the external thermal stratification on the mass flow rate was also developed. There is an excellent agreement between the theoretical predictions and the experimentally and numerically obtained mass flow rates. This clearly highlights that external temperature distributions are key driving factors and their influence is accurately quantified in this work

Ce chapitre expose quelques modélisations numériques, utilisables par les ingénieurs du secteur naval, développées pour des calculs d’interaction fluide/structure concernant des structures composites soumises à des chargements hydrodynamiques « sévères », comme ceux engendré par des impacts hydrodynamiques (ou slamming) ou des explosions sous-marines (ou « choc hydrodynamique »).