Дисертації з теми "Ondes de détonation – Interaction fluide-structure"

En construction navale militaire, les navires sont conçus pour résister à des menaces conventionnelles comme les mines ou les torpilles. Ces conceptions s’appuient sur des calculs aux explosions sous-marines lointaines qui sont bien maîtrisées aujourd’hui. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, cette thématique a en effet bénéficié d’importants travaux de recherche. Ceux-ci ont abouti à des méthodes numériques robustes qui permettent de simuler l’essentiel des phénomènes caractérisant ces événements. Ces méthodes, utilisées en ingénierie, s’appuient cependant sur des hypothèses restrictives qui limitent leur champ d’application. Elles sont discriminantes si l’on souhaite simuler les explosions sous-marines en champ proche, caractérisées par des phénomènes fortement non-linéaires. Dans ce cadre, on adapte la méthode éléments finis Euler-Lagrange Multi-Matériaux avec Couplage Euler-lagrange, pour simuler ces problèmes. Les évolutions présentées dans la thèse s’articulent autour de deux points. (1) La méthode est développée en deux dimensions pour résoudre les problèmes 2D axisymétriques avec une rapidité et une précision accrues par rapport aux simulations 3D. (2) La projection des résultats 2D sur des grilles de calculs différentes 2D ou 3D est implémentée. Cette technique de projection permet de résoudre le problème complet par des phases successives dont la physique se situe sur des échelles de temps et d’espace très différentes, et qui nécessitent des maillages adaptés. Les développements effectués sont finalement intégrés dans le code de calcul LS-DYNA version 5.1.1, et validés pour les différentes phases du problème à partir de résultats théoriques et expérimentaux
In military shipbuilding, ships are designed to withstand conventional threats such as mines or torpedoes. These designs are based on calculations of structural response to underwater explosions in far field, what is relatively well controlled today. The thematic of underwater explosions has indeed benefited from extensive research since the Second World War. This has resulted in robust numerical methods to simulate the main phenomena that characterize such events. These methods used in engineering are based on assumptions that limit their scope. These restrictions are discriminatory when we attempt to simulate underwater explosions in near field which are mainly nonlinear phenomena. In this context, the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian method with Euler-Lagrange coupling is chosen to simulate these problems. To make the method more easily applicable in engineering, its adaptation is based on two points. (1) Firstly the method is developed for two-dimensional cases in order to solve 2D axisymmetric problems with higher speed and accuracy compared to 3D simulations. (2) Then the projection of results from two-dimensional analysis on 2D or 3D grids is implemented. The projection from one grid to the other allows solving the whole problem through successive phases for physics on very different time scales and space scales, what necessitates adapted meshes. The developments are implemented in LS-DYNA code for the revised version 5.1.1 and validated for the different phases of the problem from theoretical and experimental results

La simulation des problèmes transitoires de grandes déformations telle que la détonation est primordiale pour les calculs mécaniques parce que l'approche expérimentale de ces phénomènes est souvent chère et consommatrice de temps. Dans cette thèse, les outils numériques utilisés pour la modélisation des détonations sont les formulations Eulérienne et Arbitraire Lagrange Euler (ALE) multi-matériaux en utilisant l'hydrocode LS-DYNA. Cependant, pour des problèmes transitoires de grandes pressions, la méthode ALE ne permet pas de maintenir un maillage fin à proximité de l'onde de choc. Une nouvelle méthode de relaxation retardée des mailles introduite dans la méthode ALE multi-matériaux est testée. Cette technique permet de maintenir un comportement aussi Lagrangien que possible à proximité du front de choc. Le paramètre de relaxation doit être défini d'une manière générale pour des applications de grandes pressions. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux afin de mieux comprendre comment choisir la valeur du paramètre de relaxation. D'autres investigations numériques sur la détonation du cordeau détonant en forme spirale, qui permet d'obtenir une convergence d'ondes de choc, sont réalisées. En utilisant la méthode Eulérienne multi-matériaux, une bonne corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux démontre la capacité de cette formulation à résoudre des problèmes de détonation dans l'eau du cordeau détonant sous différentes formes. D'autre part, un phénomène de détonation forte, qui permet de donner à un explosif des pressions plus élevées que la pression de Chapman-Jouguet est modélisé en utilisant un couplage en pénalité.

Avant la pandémie de COVID-19, Airbus recevait de plus en plus de commandes d'aéronefs, et espérait, via l’hydroformage par explosif, pouvoir répondre à davantage de demandes. Pour éviter des coûts supplémentaires pour le développement d’une nouvelle technique, la simulation numérique est utilisée. Toutefois, le temps nécessaire, que ce soit de calcul ou ingénieur, est trop important et la précision parfois insuffisante pour permettre une intégration facile au sein des différents projets concernés. De plus, la viabilité du procédé en vue d’une industrialisation doit être considérée. Pour répondre à ce besoin, dans un premier temps, les différentes étapes liées à l'hydroformage par explosif sont identifiées. En premier lieu, la détonation est étudiée pour permettre une meilleure compréhension de la source d'énergie agissant lors du formage par explosif. Ensuite, la propagation du choc issue de l’explosion sous-marine est évaluée ainsi que l’interaction fluide-structure dans le cas du formage par explosif tel que défini au sein d’Airbus. A partir de ces considérations, un outil « FSILoad », basé sur une approche semi-analytique, permettant l’application d’une pression équivalente à la détonation de cordeaux explosifs est créée. Pour s’assurer la bonne définition de l’alliage d’aluminium dont est fait la pièce, cet alliage est caractérisé via des essais de traction quasi-statiques uni-axial, des essais dynamiques via les barres d’Hopkinson et le choc laser. Un modèle numérique est réalisé à l'aide de ces nouvelles données d'entrée. Lors de l'hydroformage par explosif, les contraintes résiduelles issues de la simulation sont comparées à l’expérience et un modèle analytique est défini pour permettre l’identification de paramètres influents. Finalement, les paramètres susceptibles d’affecter la déformation finale en simulation sont identifiés, la viabilité de l’outil FSILoad quantifié et la répétabilité du procédé pour répondre à un besoin industriel évaluée
Before the COVID-19 pandemic, Airbus was receiving more and more orders from aircraft, and was hoping, through high explosive hydroforming, to be able to meet more demands. To avoid additional costs for the development of a new technique, numerical simulation is used. However, the time required for calculation and engineering is too long and the accuracy is sometimes insufficient to allow easy integration into the various projects concerned. In addition, the viability of the process for industrialisation must be considered. To meet this need, the various steps related to High Explosive HydroForming are first identified. Firstly, the detonation is studied to allow a better understanding of the energy source acting during explosive forming. Next, the propagation of the shock wave from the underwater explosion is evaluated as well as the fluid-structure interaction in the case of explosive forming as defined within Airbus. Based on these considerations, a «FSILoad» tool, based on a semi-analytical approach, allowing the application of a pressure equivalent to the detonation of explosive cords is created. To ensure the correct definition of the aluminium alloy of which the part is made, this alloy is characterised by quasi-static uni-axial tensile tests, dynamic tests via Hopkinson bars and laser shock. A digital model is created using this new input data. During high explosive hydroforming, the residual stresses resulting from the simulation are compared to the experiment and an analytical model is defined to allow the identification of influential parameters. Finally, the parameters likely to affect the final deformation in simulation are identified, the viability of the FSILoad tool quantified and the repeatability of the process to meet an evaluated industrial need

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006.
N° d'ordre (Lille 1) : 3849. Résumé en français. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 151-159.

La prédiction et l'analyse, dès la conception, du comportement vibratoire engendré par un système vibrant permettent de réduire et de contrôler les nuisances sonores et les vibrations de la structure avant de procéder à la fabrication du produit fini. Afin de réduire les coûts de conception, les recherches se focalisent, à l'heure actuelle, vers des méthodes numériques de prédiction de ces phénomènes vibroacoustiques. Dans ce travail, nous nous intéressons à la simulation numérique des problèmes d'acoustique pur et de couplage vibroacoustique faible ou fort en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) et la méthode des éléments finis de surface (Boundary Element Method BEM) couplées ou non. La structure est simulée par la MEF. Le couplage avec la cavité est modélisé, dans un premier temps, par une approche modale. La méthode proposée repose, d'une part, sur une correction pseudo-statique pour la structure et la cavité et d'autre part, sur le calcul des modes couplés issus d'un système symétrique. Cette méthode améliore la convergence de la méthode modale tout en réduisant d'une manière sensible le temps de calcul. Par ailleurs, l'interpolation quadratique des matrices d'influence en BEM a permis un gain considérable en temps de calcul. Afin de contourner le problème de singularité en BEM, nous avons étendu le traitement des singularités des quadrilatères aux triangles. Finalement, nous avons validé un couplage faible entre un code explicite en éléments finis et la BEM. Ceci nous permettra, par la suite, de traiter des cas réels et complexes

L'interaction sismique du sol avec les parois moulées a été souvent modélisée en utilisant des hypothèses contraignantes tant sur la cinématique du mur que sur les caractéristiques du sol ou la nature du chargement. De plus, l'élancement de la structure de soutènement a rapidement constitue un obstacle aux simulations numériques poussées. Dans ce travail sont proposés des outils de modélisation performants qui permettent de tenir compte de la totalité de la paroi. Une approche par sous-structuration est retenue. Elle est couplée à une méthode d'équations intégrales dont une nouvelle formulation est présentée : elle repose sur des considérations de périodicité à l'aide de solutions élémentaires périodiques que nous détaillons. L'obstacle du à l'élancement de la structure est ainsi dépasse en exploitant la périodicité géométrique de celle-ci : la paroi est désormais considérée comme un réseau unidirectionnel généré par un motif unique sur lequel s'effectue l'étude de l'interaction sismique. Chaque élément du motif est examine séparément en lui attribuant une cinématique adéquate et une modélisation du couplage entre ces éléments est proposée. Cette méthode de sous-structuration dynamique associée à la méthode des équations intégrales périodiques est basée sur une hypothèse de linéarité. Elle fournit des indications utiles sur la tenue sismique de la paroi surtout aux points faibles de celle-ci, en donnant notamment le niveau des déplacements différentiels entre les panneaux qui la constituent.

Dans la première partie, je décris mes travaux de recherche en interaction fluide-structure (résultat théorique, numérique et de contrôle), puis je présente des méthodes fréquentielles pour la contrôlabilité et la stabilisation avec applications aux problèmes de stabilisation de systèmes discrétisés. Finalement, je donne des résultats obtenus sur la dépendance par rapport au domaine de quelques EDP

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.

Les écoulements transsoniques rencontrés dans le cadre de la propulsion aéronautique et spatiale sont associés à l'apparition d'ondes de choc. En impactant la couche limite se développant sur une paroi, un gradient de pression adverse est généré qui conduit à l'épaississement ou au décollement de la couche limite. Lors de la vibration de la structure, l'onde de choc oscille et interagit avec la couche limite, générant une fluctuation de la pression statique à la paroi. Il s'ensuit alors un échange d'énergie entre le fluide et la structure qui peut être stabilisant ou au contraire conduire à une instabilité aéroélastique (flottement). La modélisation de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite pour l'étude des interactions fluide-structure est l'objet de ce travail de recherche. Il s'appuie sur la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) et la modélisation de la turbulence. Les méthodes et modèles utilisés ont été validés à partir de résultats expérimentaux issus d'une tuyère transsonique dédiée à l'étude des interactions fluide-structure. Ces travaux sont ensuite appliqués à l'amélioration de la prédiction du flottement en turbomachine. Une méthode linéarisée en temps permettant la résolution des équations RANS dans le domaine fréquentiel est utilisée. Nous confirmons l'importance de la dérivation du modèle de turbulence lors de la prédiction d'une interaction forte entre une onde de choc et une couche limite décollée. Une méthode de régularisation est présentée puis appliquée aux opérateurs non dérivables du modèle de turbulence k-! de Wilcox (2006). La prédiction de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite dans une tuyère est évaluée à partir de simulations bidimensionnelles et présente un bon accord avec les données expérimentales. En évaluant l'influence de la fréquence réduite, une instabilité aéroélastique de type flottement transsonique est identifiée. Un dispositif de contrôle, reposant sur la génération d'ondes de pression rétrogrades à l'aval de la tuyère, est proposé puis validé numériquement. Enfin, une méthodologie est proposée pour comprendre les mécanismes aérodynamiques conduisant au flottement. Pour cela, il a été réalisé un dessin provisoire d'une soufflante transsonique à fort taux de dilution. Cette soufflante, l'ECL5, est destinée à l'étude expérimentale des instabilités aérodynamiques et aéroélastiques. La méthodologie proposée repose sur la simulation 2D d'une coupe de tête et met à profit la linéarisation pour analyser la contribution de sources locales en fonction de la fréquence réduite, du diamètre nodal et de la déformée modale
Transonic flows, which are common in aeronautical and spatial propulsion systems, produce shock-waves over solid boundaries. When a shock-wave impacts the boundary layer, an adverse pressure gradient is generated and a thickening or even a separation of the boundary layer is induced. If the solid boundary vibrates, the shock-wave oscillates, interacts with the boundary layer and produce a fluctuation of the static pressure at the wall. This induces an exchange of energy between the fluid and the structure which can be stabilising or lead to an aeroelastic instability (flutter).The main objective of this PhD thesis is the modelling of the unsteady behaviour the simulation of the shock-wave/boundary layer interaction for fluid-structure interaction studies. To this end, simulations have been carried out to solve Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations using two equations turbulence model. The method is validated thanks to experimental data obtained on a transonic nozzle dedicated to aeroelastic studies. This method is then use to increase the predictability of flutter events in turbomachinery.A time linearised frequency-domain method is applied to RANS equations. It is shown that the unsteady behaviour of the turbulent boundary-layer contributes to the fluctuating static pressure when the shock-wave boundary layer interaction is strong. Hence, the frozen turbulence assumption is not valid and the turbulence model must be derivated. Thus, the regularisation of the non derivable operators is proposed and applied on k-? Wilcox (2006) turbulence model.The unsteady behaviour of the shock-wave/boundary-layer interaction in a transonic nozzle is evaluated thanks to 2D numerical simulations and shows good agreement with experimental data. When varying the reduced frequency an aeroelastic instability is found, known as transonic flutter. An active control device generating backward travelling pressure waves is then designed and numerically validated.Finally, a methodology is proposed to understand the aerodynamic onsets of transonic flutter. To this end, a preliminary design of a high bypass ratio transonic fan has been carried out. This fan, named ECL5, is dedicated to experimental aerodynamic and aeroelastic studies. The methodology relies on 2D simulations of a tip blade passage and uses linearisation to analyse the contribution of local sources as a function of reduced frequency, nodal diameter and mode shape

La discrétion acoustique prenant une part de plus en plus importante dans la lutte sous-marine, des matériaux de masquage acoustique sont utilises pour atténuer le rayonnement acoustique des sous-marins. Il s'avère donc nécessaire de connaître parfaitement les caractéristiques de ces matériaux afin d'en prévoir leur efficacité. Actuellement, les moyens acoustiques de caractérisation de ces matériaux ne permettent d'obtenir qu'une information relative globale sur le matériau, et non pas de connaître ses caractéristiques intrinsèques telle la célérité complexe des ondes. Le travail décrit dans cette thèse concerne le développement d'un système acoustique s'inspirant du principe des tubes à impédance aériens, qui permet d'accéder à la célérité complexe des ondes dans le matériau. Malgré le couplage fluide-structure induit par la présence de l'eau dans le tube, la plage d'utilisation de ce moyen d'essais se situe entre 50 et 2000 Hz. L'étude par éléments finis du comportement de l'échantillon placé dans le tube et soumis à une pression acoustique a permis de déterminer les conditions limites mécaniques devant lui être appliquées de manière à modéliser simplement son comportement (identique à celui d'une plaque de surface infinie). Les essais acoustiques ont mis en évidence les limites des méthodes classiques de mesure utilisées dans les tubes aériens pour accéder à la célérité complexe des matériaux. En modélisant le tube à impédance par un système multi-couches infini, l'identification par optimisation sur les célérités complexes du matériau et de l'eau à l'aide de la méthode du simplex, des fonctions de transfert théorique et expérimentale entre deux capteurs, permet d'obtenir le spectre de la célérité complexe du matériau des les basses fréquences. Les fonctions de transfert sont mesurées à l'aide des techniques référentielles ou sélectives « H1 ». Ce moyen d'essais permet aussi l'étude du comportement des matériaux soumis à une pression hydrostatique.

Aujourd'hui les réseaux d'observation sismologique peuvent combiner des capteurs sismiques large-bande, hydrophones et micro-baromètres. Exploiter l'ensemble de ces données nécessite l'utilisation de simulations numériques capables de modéliser la propagation des ondes dans des milieux acoustiques et élastiques, avec un couplage aux interfaces fluide-solide. Avec cette thèse, nous proposons une méthode numérique de type Galerkin Discontinue Hybridable (HDG), d'ordre arbitrairement élevé en espace, permettant de modéliser la propagation des ondes élastodynamiques et acoustiques. Dans un premier temps, des conditions de transmission entre des milieux hétérogènes élastiques et acoustiques sont construites en utilisant les relations de Rankine-Hugoniot. Ces conditions sont ensuite utilisées pour établir les raccords inter-éléments dans le cadre d'une méthode HDG modélisant de manière unifiée les propagation d'ondes mécaniques dans les deux milieux. Nous proposons ensuite une discrétisation spatiale avec une approche spectrale en espace et un schéma d'intégration en temps prenant en compte l'équation algébrique de transmission. Nous montrons enfin les performances spectrales de notre méthode sur des cas tests élastiques et élasto-acoustiques académiques, nous validons notre approche PML, et enfin nous présentons une étude plus réaliste de couplage sismique-infrasons
New seismological monitoring networks combine broadband seismic receivers, hydrophones and micro-barometers antenna. Exploiting these observations requires accurate and multi-physics — elastic, hydro-acoustic, infrasound - wave simulation methods which are able to model the complex energy exchanges at material interfaces. In this thesis, we develop a new Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) method for solving elastic and acoustic wave propagation, with an arbitrary high order of accuracy in space. In order to introduce this method, we first derive the transmission conditions between heterogeneous elastic, acoustic, and elasto-acoustic media using the Rankine-Hugoniot relations. These conditions are then used to design the inter-element numerical traces in an HDG framework, which make this method able to model both elastic and acoustic waves in the same simulation. We subsequently perform a space discretization using a spectral approach, and we propose a time-scheme able to enforce properly the algebraic transmission equation. The spectral convergence of the method is assessed on both elastic and elasto-acoustic benchmarks, and some validation benchmarks for the PML are performed. Finally we present a more realistic case of coupling between seismic waves and infrasounds

La thèse porte sur la réponse d'une plaque couplée à un liquide et soumise au champ de pression créé par une détonation aérienne. Celle-ci correspond au mode d'explosion le plus violent et se caractérise par la propagation d'une onde de choc qui génère sur la plaque un champ de pression mobile dont l'intensité et la vitesse de propagation sont élevées. L'objectif est d'étudier la réponse dynamique du système couplé pendant la durée de propagation de l'onde sur la plaque. Après avoir présenté le chargement de détonation, la mise en équation du problème est exposée. Celle-ci est adaptée au contexte de dynamique rapide imposé par la sollicitation extérieure. La flexion de la plaque est étudiée selon la théorie de Mindlin Reissner et prend en compte les non linéarités géométriques. Les non linéarités matérielles sont décrites par la loi de comportement élastoplastique de Prandtl-Reuss avec écrouissage isotrope. La dynamique du fluide est décrite par les équations d'Euler linéarisées. L'étude analytique permet d'obtenir des solutions au problème d'une bande infinie, reposant sur un domaine liquide non borné, soumise à un chargement mobile stationnaire. Les solutions stationnaires décrivent la réponse du système couplé au voisinage du front de chargement. La résolution numérique du problème réel d'une plaque couplée est obtenue à partir d'un schéma aux différences finies d'ordre 2 en temps et en espace. L'intégration temporelle des équations est obtenue par un schéma explicite. L'étude expérimentale présente le banc d'essai et des exemples de réponse de plaques en contact avec de l'eau, soumises à des détonations. Ces réponses sont comparées aux solutions numériques.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006.
N° d'ordre (Lille 1) : 3829. Publications en anglais reproduites en annexe. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 134-144.

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 ce travail, une méthode basée sur les éléments finis ondulatoires - Wave Finite Elements (WFE) - est proposée en vue de prédire le rayonnement acoustique de conduites axisyrnétriques de longueur finie, comportant un fluide interne, et immergées dans un fluide acoustique de dimensions infinies. La condition de rayonnement de Sommerfeld est prise en compte en entourant le fluide extérieur d'un perfectly matched layer (PML), c'est-à-dire une couche d'éléments absorbants dans laquelle les ondes acoustiques incidentes sont progressivement amorties. Dans le cadre de l'approche WFE, la conduite, le fluide qu'elle contient, le fluide extérieur et le PML constituent un guide d'ondes multiphysique qui est discrétisé par un maillage éléments finis périodique, et peut être ainsi modélisé comme un assemblage de sous-systèmes identiques de faible longueur. Une base d'ondes se propageant le long de la conduite, calculée à partir du modèle éléments finis d'un sous-système, est utilisée afin de prédire le comportement vibroacoustique de guides d'ondes de longueur finie à moindre coût. Des simulations numériques sont réalisées pour des cas de conduites de structure homogène ou multi-couches. La précision et l'efficacité de la méthode WFE sont clairement établies en comparaison avec la méthode des éléments finis conventionnelle
In this work, a wave finite element (WFE) method is proposed to predict the sound radiation of finite axisymmetric fluid-filled pipes immersed in an external acoustic fluid of infinite extent, The Sommerfeld radiation condition is taken into account by means of a perfectly matched layer (PML) around the external fluid. Within the WFE framework, the fluid-filled pipe, the surrounding fluid and the PML constitute a multiphysics waveguide that is discretized by means of a periodic finite element mesh, and is treated as an assembly of identical subsystems of small length. Wave modes are computed from the FE model of a multi-physics subsystem and used as a representation basis to assess the vibroacoustic behavior of the finite waveguide at a low computational cost. Numerical experiments are carried out in the cases of axisymmetric pipes of either homogeneous or multi-layered crosssections, The accuracy and efficiency of the proposed approach are dearly highlighted in comparison with the conventional FE method

Pour améliorer la conception des turbomachines, les industriels doivent appréhender des phénomènes aéroélastiques complexes présents dans les compresseurs comme les cycles limites d’interaction fluide-structure des fans. La compréhension et la modélisation de ces phénomènes impliquent de développer des modèles numériques complexes intégrant des phénomènes multi-physique et de valider ces modèles à l’aide de bancs d’essais. Le banc d’essai du compresseur CREATE est instrumenté pour étudier des instabilités aérodynamiques couplées à des vibrations, notamment sur le rotor du premier étage, et permet de valider des modèles numériques. La modélisation de l’écoulement en amont du premier étage du compresseur à l’aide du logiciel Turb’Flow, développé pour l’étude des écoulements dans les compresseurs aéronautiques, a permis de mettre en évidence l’importance des conditions limites d’entrée pour l’obtention de résultats précis. En particulier, il a été possible de modéliser correctement l’ingestion d’une alimentation non-homogène en entrée de la roue directrice d’entrée. Ce phénomène peut se produire en amont des fans et interagir avec un mode de la structure. Une stratégie de couplage partitionné fort explicite dans le domaine temporel a été introduite dans le logiciel Turb’Flow. Comme cette méthode présente un risque de décalage temporel à l’interface fluide-structure, une attention particulière a été portée à la modélisation de la conservation de l’énergie à cette interface. La conservation de l’énergie à l’interface est cruciale quand les déplacements sont importants et quand un comportement non-linéaire fort apparaît entre le fluide et la structure (onde de choc et amortissement structurel nonlinéaire). Parallèlement au développement du module aéroélastique, le schéma implicite de Runge- Kutta d’ordre 3 en temps (RKI-3) a été développé et évalué sur un cas de dynamique (vibration d’une aube de turbine transsonique) et sur un cas de propagation d’onde de choc. L’utilisation du schéma RKI-3 permet d’augmenter, à iso-précision, d’un ordre le pas de temps par rapport aux schémas de Gear et de Newmark. S’il apporte un gain en temps CPU pour l’étude de la dynamique des structures, il est pénalisant dans le cadre de simulation URANS. Cependant, le schéma RKI-3 est utilisable dans le cadre de simulations couplées fluide-structure
To increase turbomachinery design, manufacturers have to comprehend complex aeroelastic phenomena involving compressors like fluid-structure interaction limit cycles of fans. The understanding and the modeling of these phenomena involve developing complex solvers coupling techniques and validating these techniques with bench tests. The bench test of the CREATE compressor is instrumented to study the coupling between aerodynamic instabilities and structure vibration, in particular on the first stage rotor, and allows to validate numerical techniques. The flow modeling upstream to the first stage with the Turb’Flow flow solver (targeting turbomachinery applications) shows that, to have accurate results, inlet limit conditions must take into account. The ingestion of non-homogeneous flow upstream to the inlet guide vane is accurately modeled. This phenomenon can appear upstream to fans and interact with structure Eigen-modes. Explicit partitioned strong coupling considered in time domain was implemented in a Turb’Flow flow solver. As there is a risk of time shift at the fluid-structure interface, careful attention should be paid to energy conservation at the interface. This conservation is crucial when displacements are large and when strong non-linear behaviors occur in both fluid and structure domains, namely shock waves, flow separations and non-linear structural damping. In parallel with coupling technique development, the three-order implicit Runge-Kutta scheme (RKI-3) was implemented and validated on a structure dynamic case (transonic turbine blade vibration) and on a case of shock waves propagation. The RKI-3 scheme allows increasing the time step of one order of magnitude with the same accuracy. There is a CPU time gain for structure dynamics simulations, but no for URANS simulations. However, the RKI-3 scheme can be to use for fluid-structure coupling simulations. The coupling technique was validated on a test case involving tube in which the shock wave impinges on a cross flow flexible panel, initially at rest. This case allows modeling an interaction between sonic flow and a panel movement with a tip clearance. Some numerical simulations were carried out with different temporal schemes. The RKI-3 scheme has no influence on results (compared with Gear and/or Newmark scheme) on the energy conservation at the fluid-structure interface. Compared to experimental results, pressure is in fairly good ix Liste des publications agreement. The analysis of numerical results highlighted that a vertical shock tube with up and down waves creates pressure fluctuation. Frequency is under predicted and amplitude is not in fairly good agreement. The panel root modeling might be questionable

Ce travail de thèse porte sur le contrôle non destructif de structures élancées partiellement enfouies ou immergées, par exemple un câble d'acier partiellement enfoui dans du béton ou une plaque d'acier partiellement immergée dans du sodium liquide. Ces structures peuvent être vues comme la jonction d'un guide fermé et d'un guide ouvert. Pour effectuer des calculs, nous avons tronqué transversalement la partie ouverte de la structure avec des PML finies. Un guide partiellement enfoui peut alors être traité comme la jonction de deux guides fermés, dont la propagation des ondes dans l'un des guides est régie par une équation impliquant des coefficients complexes liés à la présence des PML. Ce constat nous a amené à commencer par traiter dans un premier temps le cas plus simple de la jonction de deux guides acoustiques fermés. Pour ce cas simple, nous avons proposé une démarche de résolution du problème inverse adaptée aux jonctions de guides d'ondes fermés. Elle repose d'une part sur l'introduction des champs de référence, qui sont les réponses de la structure totale sans défaut à un mode provenant d'un des deux demi-guides, et d'autre part sur l'utilisation de la relation de réciprocité de la fonction de Green de la structure sans défaut. Suivant cette démarche, nous avons obtenu une formulation modale efficace de la LSM qui nous a permis d'identifier des défauts. Dans ce cas simple, nous avons tiré parti de la complétude des modes pour analyser les problèmes direct et inverse. Dans un second temps, nous avons traité le cas d'un guide acoustique partiellement enfoui. La perte de complétude des modes dans le demi-guide tronqué transversalement avec des PML nous a amenée à étudier le problème direct à l'aide de la théorie de Kondratiev. Les outils introduits pour la jonction de deux guides fermés ont été ensuite adaptés à la résolution du problème inverse. Dans un troisième temps, nous avons abordé le cas plus réaliste, mais plus complexe, d'un guide élastique partiellement immergé dans un fluide. Pour ce cas difficile, nous avons développé des outils de simulation adaptés et étendus les outils introduits précédemment pour résoudre le problème inverse
This work is about the non destructive testing of partially buried or immersed slendered structures such as a steel cable partially buried in concrete or a steel plate partially immersed in liquid sodium. Such structures can be seen as the junction of two closed waveguides. In order to perform computing, the open part of the structure is truncated in the transverse direction with PMLs. As a result, a partially buried waveguide can be treated as the junction of two closed waveguides, in one of which the propagation of waves is governed by an equation involving complex coefficients due to the presence of the PMLs. This observation has lead us to tackle first the simpler case of the junction of two closed acoustic waveguides. For this simple case, we have proposed a strategy to solve the inverse problems based on the one hand on the introduction of the so-called reference fields, which are the total field response of the structure without defects to an incident field coming frome both half-guides, and on the other hand on the use of the reciprocity of the Green function of the structure without defect. Following this strategy, we have obtained an efficient modal formulation of the LSM which has enabled us to retrieve defects. In this simple case, we have taken advantage of the completeness of the modes to analyze the forward and inverse problems. The loss of the completeness of the modes in the half-guide truncated in the transverse direction with PMLs has led us to study the forward problem with Kondratiev theory. The tools introduced for the junction of two closed waveguides have been adapted to solve the inverse problem. Finally, we have tackled the more complex, but more realsitic case of an elastic waveguide partially immersed in a fluid. For this difficult case, we have developped adapted computing tools adapted and extended the tools introduced before solving the inverse problem

Dans la conception des turbomachines modernes, la prédiction des phénomènes aéroélastiques est devenue un point clé. La tendance à réduire la masse et à augmenter la charge des composants aérodynamiques accroit le risque de rupture. Dans un tel contexte, la compréhension et la bonne prédiction des diverses instabilités constituent un enjeu industriel et scientifique majeur. Le présent travail de recherche a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes instationnaires intervenant dans les problèmes d’aéroélasticité en turbomachines. Cette thèse est plus particulièrement axée sur la simulation de l’interaction onde de choc/couche limite. Le support d’étude est une tuyère transsonique présentant un écoulement avec des zones décollées. L’oscillation forcée de l’onde de choc est simulée grâce à une méthode de petites perturbations instationnaires couplée avec une hypothèse de turbulence variable. Cette approche est validée par comparaison avec des mesures. Elle permet une prédiction tout à fait satisfaisante du premier harmonique de pression sur la paroi de la tuyère. Ce travail a montré la nécessité de linéariser le modèle de turbulence. Le besoin de dériver le modèle de turbulence nous a amené à investiguer la modélisation faite pour prédire l’interaction onde de choc/couche limite. Un modèle de turbulence à deux équations complété par une équation de « retard » est implémenté afin de capter un déséquilibre de la turbulence. Les résultats obtenus en tuyère sont cohérents avec la théorie mais une surproduction d’énergie turbulente en présence de bord d’attaque rend le modèle inefficace pour des configurations de turbomachines. Au final, l’introduction d’un limiteur de viscosité turbulente dans un modèle de turbulence à deux équations s’avère donner de bons résultats. La méthode de dérivation du modèle est alors présentée sur le modèle de Wilcox proposé en 2008. Enfin, la technique de linéarisation est étendue à la problématique aéroélastique. Une approche de couplage fluide-structure faible est adoptée. L’oscillation structurelle des aubages suivant les modes propres est considérée mais en laissant la fréquence évoluer au cours du couplage. La nouvelle méthode utilisée s’appuie sur la construction d’un méta-modèle du comportement dynamique du fluide afin de résoudre directement le système fluide-structure couplé. Cette technique est validée sur une configuration de grille annulaire de turbine en haut subsonique et présente l’avantage d’un temps de calcul réduit
In modern turbomachinery design, predicting aerolastic phenomena has become a key point. The development of highly loaded components, while reducing their weight, increases the risk of failure. In this context, good understanding and prediction of various instabilities are a major industrial and scientific challenge. This research work aims to improve the prediction of unsteady phenomena involved in turbomachinery aeroelasticity. This study focuses especially on the simulation of shock wave/boundary layer interaction. To begin with, a transonic nozzle separated flow is investigated. Forced oscillation of the shock wave system is simulated through a small unsteady perturbation method combined with the assumption of variable turbulence. This approach is validated against exprimental measurements. The first harmonic of pressure on the wall of the nozzle is predicted quite satisfactorily. The need to linearize the turbulence model was shown of high importance. Deriving the turbulence model, leads us to investigate the turbulence modeling performed to predict the shockwave/boundary layer interaction. A two equations turbulence model supplemented by a "time-lagged" equation is implemented to capture non-equilibrium effects of turbulence. All achieved results for a nozzle are consistent with theory, but overproduction of turbulent kinetic energy at leading edge makes the model useless for turbomachinery configurations. However, the introduction of an eddy viscosity stress limiter inside a two-equation turbulence model proves to give good results. The derivation method is thus presented on such a model, precisely on Wilcox model proposed in 2008. Finally, the linearization technique is extended to aeroelastic problems. A loose fluid-structure coupling strategy is adopted. The structural oscillation of the blades is considered for eigen-modes but frequency is free to change during coupling resolution. The new approach is based on the building of a meta-model to describe the fluid dynamic behavior in order to solve directly the coupled fluid-structure system. This technique is validated on a standard high subsonic turbine configuration and takes advantage of a reduced computation time

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

Ce travail de thèse s’appuie sur une étude expérimentale en tube à choc, plus précisément, c’est une approche expérimentale de l'étude de l'interaction fluide-structure. Considérons un solide indéformable auquel on laisse un degré de liberté en rotation autour d'un axe. Cette structure ferme un espace clos. Si le contenu de l'espace clos subit le passage d'une onde de choc, ce solide va être mis mouvement et tourner autour de son axe. Concrètement, l'onde de choc va augmenter les caractéristiques physiques, en particulier sa pression, du fluide en contact avec la face impactée de cette porte. La face opposée de la porte ne subissant pas ou que très peu l'influence de l'onde de choc, une seule de ses faces est soumise à la surpression. Au moment de l'impact, le déséquilibre ainsi créé impose une action mécanique sur la porte qui va la faire accélérer et tourner autour de son axe de rotation. Jusqu'à ce stade tout est relativement simple. La difficulté intervient à l'instant où la porte commence à s'ouvrir, car les frontières du volume dans lequel le fluide évolue sont modifiées. Des fuites apparaissent et le gaz qui était maintenu dans un volume clos peut maintenant s'écouler vers un milieu libre. Une communication entre les gaz agissant de chaque coté de la porte est créée modifiant leurs propriétés et par conséquent la pression agissant sur chaque côté de la porte. Les actions mécaniques qui s'appliquent sur la porte ne sont plus les mêmes, et par conséquent l'accélération que la porte subit aussi. Au fur et à mesure que la porte change de position, le problème fluide continue d'être modifié et change en retour son action sur la porte. Cette interaction perdure soit jusqu'à ce que les limites du problème cessent d'être modifiées, la porte ne peut plus bouger, ou bien lorsque les actions mécaniques agissant sur la porte s'équilibrent, les fluides de chaque côté de la porte étant dans le même état physique. Le travail présenté ici est une étude des paramètres du fluide ou du solide en mouvement qui sont les acteurs de la loi comportementale gérant ce système complexe. Pour ce faire, nous avons réalisé une maquette expérimentale mettant en action la physique que nous venons de décrire et nous l'avons adaptée à un tube à choc. En éprouvant de nombreuses configurations expérimentales, nous avons pu déterminer comment l'écoulement interne d'un tube à choc évolue lorsqu'il est plus ou moins ouvert à son extrémité. Comment une porte fermée réagit-elle à l'impact d'une onde de choc et quelles en sont les conséquences sur l'évolution des fluides mis en jeu? Quelles sont les conséquences d'une position différente de la porte au moment de l'impact avec l'onde de choc? Ou encore, quel rôle joue l'intensité de l'onde de choc incidente ou l'inertie de la porte sur toute cette dynamique?
This thesis is based on an experimental study carried out in shock tube; in particular, this is an experimental approach to the study of fluid-structure interaction. Consider a rigid body which is allowed to rotate only around an axis and which closes a confined space. If a shock wave crosses the content of the confined space, the body will accelerate and rotate around its axis. Specifically, the shock wave will increase the physical characteristics, especially its pressure, of the fluid acting on the impacted face of the door. The opposite side of the door is not influenced by the incident shock wave, only one of its faces is subjected to overpressure. Following the first impact, the resulting imbalance imposes a mechanical action on the door that will increase its speed and make it turn around its rotation axis. The difficulty comes when the door begins to open: the volume boundaries in which the fluid is contained are modified. Leaks occur and the gas kept in this closed volume can now flow to the atmosphere. Communication between the gas acting on each side of the door is created modifying their properties and consequently the pressure acting on each side of the door.The mechanical actions that apply to the door are no more the same with time, and therefore the acceleration of the door is changing. As the door moves, the fluid problem continues to be changed and in turn it changes its action on the door. This interaction process continues until either the limits of the problem ceases to be changed, the door cannot move, or when the mechanical actions acting on the door are in equilibrium, fluids on each side of the door are in the same physical state. The presented work is a study of the parameters of the fluid or the solid motion which are main actors in the behavioral law managing this complex system. In this aim, we designed an experimental device involving the physics that we have described and we have adapted it to a shock tube. Testing many experimental configurations, we could determine how the internal flow of a shock tube evolves when the end of this shock tube is more or less open.How a closed door reacts to the impact of a shock wave and what are the implications for the evolution of the involved fluids? What are the consequences of a different position of the door at the instant of the impact with the incident shock wave? What role plays the intensity of the incident shock wave or the inertia of the door on this dynamic?

Le but du travail présenté est la compréhension puis la simulation numérique des mécanismes d'érosion des augets de turbine Pelton par impacts répétés de gouttes d'eau dans le but de prédire la durée de vie des composants. Tout d'abord, les phénomènes de propagation d'ondes dans les milieux fluide et solide sont étudiés. Cela permet de mettre en lumière l'évolution temporelle et la distribution spatiale des pressions de contact, et l'apparition de microjets par éjection supersonique du fluide au contact. Les études expérimentales de l'érosion par gouttes d'eau traduisent un dommage basé sur la fissuration par fatigue. Des simulations numériques en dynamique rapide couplées fluide-structure sont alors effectuées. Le domaine solide est discrétisé par la Méthode des éléments Finis (MEF), et le domaine fluide par la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), qui est une méthode particulaire (sans maillage) particulièrement adaptée aux grandes distorsions et au suivi des surfaces libres. L'analyse des états de contraintes vient corroborer la nature cyclique de l'endommagement. La simulation d'érosion est alors réalisée à l'aide de critères de fatigue multiaxiaux. Le choix se porte vers un premier critère général de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), utilisant les valeurs principales des différences de contraintes au cours du temps. Le second choix concerne un critère à plan critique : le critère de Dang Van 2. Il traite séparément la contrainte hydrostatique et le cisaillement alterné maximal local. Ces critères permettent de définir les régions érodées du solide au bout d'un nombre d'impact donné, ce qui fait de cette démarche une méthode prédictive. Une étude paramétrique pour différentes tailles de gouttes et vitesses d'impact est ensuite réalisée, puis on évalue l'influence de la présence d'une couche de coating
The goal of this work is the comprehension and the numerical simulation of erosion caused by repeated droplet impact on Pelton turbine buckets, to predict the lifetime of these components. First, waves propagation phenomenon inside fluid and solid domains are presented, which allows determining the time evolution and spatial distribution of contact pressure, and the birth of lateral microjets by supersonic ejection of the fluid on the contact. Experimental studies of erosion by droplet impact highlight a fatigue cracking-based erosion mechanism. Then, coupled FSI computation are performed. The solid subdomain is discretized by the Finite Element Method (FEM), and the fluid subdomain by the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), which is a particle method (meshless) effectively recommended for large distortions and free surface tracking. Stress analysis confirms the cyclic nature of the damage mechanism, and erosion simulation is performed using multiaxial fatigue criteria. The first selected criterion is a general one from the American Society of Mechanical Engineers (ASME) using principal values of stress differences over time. The second one is the Dang van 2 criterion, belonging to the family of critical plane criteria. This criterion considers separately the effects due to hydrostatic stress on one hand, and the ones induced by maximum local shear on the other. These two criteria are used to building the equivalent eroded zones of the solid subdomain for a given number of impacts, which allows to qualify this procedure as a predictive predictive. Finally, a parametric study for different droplet sizes and velocites is computed, and the effects of a coating layer are investigated

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

Dans cette thèse, les vibrations induites par la transition laminaire turbulent sur un hydrofoil NACA66 à un nombre de Reynolds Re=450 000 sont étudiées. Des simulations numériques directes (DNS) sont mises en place afin de prédire un écoulement de couche limite incompressible, qui sont couplées avec un hydrofoil en mouvement de rotation libre. Ainsi, un couplage fluide structure de type implicite est développé dans le code Nek5000. Du fait du caractère très amont de cette méthode, de nombreux cas de validations sont effectués, menant au cas des vibrations induites par la transition. Ensuite, les recherches se basent sur une étude paramétrique, consistant à mener des cas d’oscillation forcées (rotations imposées) et d’oscillations libres (mouvements du au chargement induit par l’écoulement). Cela permet d’analyser finement les interactions entre les vibrations de l’hydrofoil et son écoulement de couche limite transitionnel. A ce titre, de nouveaux paramètres adimensionnels sont mis en place, permettant de caractériser les interactions fluides structures sur ce type d’écoulement. Du point de vue de l’écoulement de couche limite, il a été observé que la localisation du point de transition est proportionnelle à l’amplitude des mouvements de rotation de l’hydrofoil, de sa vitesse de rotation ainsi que du ratio fréquentiel entre la fréquence Naturelle du système et la fréquence de lâchers tourbillonnaire liée à la transition. La génération d’ondes TS (premier pas vers la transition de couche limite) est aussi sensible aux vibrations. Ensuite, les résultats ont montré que les structures cohérentes formées en aval de ces ondes TS, subissent une évolution spatiale dont la longueur d’onde transversale est proportionnelle à l’épaisseur de déplacement de la couche limite. Le déplacement de la région transitionnelle vers le bord d’attaque tend à réduire les fluctuations de pressions périodiques liées à cette transition, tandis que de celle-ci devient plus étendue dans la direction de l’écoulement. Finalement, lorsque la fréquence naturelle de l'hydrofoil se rapproche de la fréquence de lâcher du bulbe (ratio fréquentiel proche de 1), il a été observé une réponse multi-fréquentielle, liée à une forte interaction entre la transition et les vibrations de l’hydrofoil. L’étude suggère que dans ce cas précis, les interactions fluides structures tendent à perturber le comportement spatio-temporel de la transition laminaire turbulent. Cette analyse doit être confirmée expérimentalement. Cependant ce phénomène a déjà été identifié lors d'une campagne de mesure menée en tunnel hydrodynamique à l’Institut de Recherche de l’École Navale (IRENav), à un nombre de Reynolds cependant plus élevé
The laminar to turbulent transition induced vibration over a NACA66 hydrofoil at Re = 450000 is investigated in this thesis. DNS is used to simulate the 3D incompressible boundary layer flow, and it is coupled with a freely pitching hydrofoil. An implicit coupling is developed within the fluid solver Nek5000. A number of cases are performed to validate this method, which lead to study the transition induced vibration. Then, a parametric study consisting of two forced and three free oscillations allowed analyzing the interactions between the vibration and the boundary layer transitional flow. A set of specific non-dimensional parameters are set, which aim at characterize the fluid structure interactions in such flow regime. From the boundary layer flow analysis, it was observed that the spatial location of the transition point is proportional to the amplitude of pitch, velocity, and frequency ratio. The generation of TS waves (the first stage of laminar to turbulent transition) is also influenced by the vibrations. It was also observed that the span wise wavelength of coherent structures (so called “hair-pin” structures” that form downstream of the TS waves) is proportional to the displacement thickness. The spatial advancement of the transition point reduces the amplitude of periodic pressure fluctuations in the transition regime. In addition, the length of the transition region is increased. Finally, a multi-scaled frequency response is observed due to the enhanced interaction between transition and pitch oscillation when the transition and natural frequencies are close to each other. The study suggests that in this case, the fluid structure interaction tends to disturb the spatio-temporal behavior of laminar to turbulent transition. Although it has to be confirmed, this phenomenon has already identified experimentally through measurements performed at the Naval Academy Research Institute (IRENav) in hydrodynamic tunnel for a higher Reynolds number case

Ce travail de thèse rentre dans le cadre d'une collaboration entre l'université de Sfax et l'université du Maine. La thèse intitulée "Influence des conditions d’interfaces d’un milieu poreux saturé sur la propagation des ondes ultrasonores : analyse acoustique et diélectrique". Le travail présenté dans ce mémoire de thèse étudie les mécanismes pouvant se reproduire dans un milieu poreux saturé par un fluide incompressible, lorsqu'il est soumis à un gradient de pression pour l'étude acoustique, et un gradient de champs électromagnétique pour l'analyse diélectrique.De ce fait le présent mémoire s'intéresse à présenter deux techniques de caractérisation :i) La caractérisation acoustique où la théorie de Biot a été adoptée pour comprendre les mécanismes de la propagation des ondes ultrasonores dans les matériaux poreux saturés et étudier l'influence de changement des conditions d'interfaces sur les coefficients de réflexion et de transmission. Le cas de présence d'un défaut plan dans le volume du matériau a été traité. Dans le même objectif, l'étude de l'influence de la présence de plusieurs inclusions sphériques sur lamodification des lignes de champs de vitesses a été présentée en proposant un modèle de tortuosité adapté selon la nature de l'inclusion et le milieu poreux hôte (homogénéité et l'anisotropie).ii) L'analyse diélectrique qui permet de décrire la structure interne et l'interaction entre le solide et le fluide saturant. Des mesures diélectriques ont été effectuées sur des céramiques de silice poreuse identiques à celle utilisée lors de la caractérisation ultrasonore, afin d’étudier l'influence de l'état des surfaces latérales de l'échantillon sur l'interaction entre le fluide saturant et les surfaces intérieures de la structure poreuse.Les résultats permettent de mettre en évidence une analogie entre les comportements de l'inclusion dans le champ de vitesse du fluide et celui d'une sphère diélectrique dans un champs électrique uniforme. Des expériences acoustiques et des mesures diélectriques (spectroscopie) ont été réalisées et comparées aux simulations numériques et aux modèles théoriques dans les deux parties d'étude
This work is part of a collaboration between the University of Sfax and the University of Maine. The thesis entitled "Influence of the interface conditions of a saturated porous medium on the propagation of ultrasonic waves: acoustic and dielectric analysis". The work presented in this dissertation examines theme chanisms that can be reproduced in a porous medium saturated by an incompressible fluid when subjected to a pressure gradient for the acoustic studyand an electromagnetic field gradient for the dielectricstudy. Consequently, the present paper is interested in presenting two techniques of characterization:i) Acoustic characterization where Biot's theory was adopted to understand the mechanisms of propagation of ultrasonic waves in saturated porous materials and to study the influence of changing interface conditions onreflection and transmission coefficients. The presence of a flat defect in the volume of the material has be entreated. The study of the influence of the presence of several spherical inclusions on the modification of the lines of velocity fields was presented by proposing a model of tortuosity adapted according to the nature of the inclusion and the porous medium host (homogeneityand anisotropy).ii) The dielectric analysis which allows to describe the internal structure and the interaction between the solidand the saturating fluid. Dielectric measurements were carried out on porous silica ceramics identical to thoseused in ultrasonic characterization in order to study the influence of the state of the lateral surfaces of the sample on the interaction between the saturating fluid and the surfaces of the porous structure.The results make it possible to demonstrate an analogy between the behavior of the inclusion in the velocity field of the fluid and that of a dielectric sphere in a uniformelectric field. Acoustic experiments and dielectric measurements (spectroscopy) were carried out and compared with numerical simulations and theoretical models in both parts of the study

La méthode de minimisation de l'intégrale d'action (principe variationnel) permet d’obtenir les équations de propagation des ondes. Cette méthode a été généralisée aux milieux poreux de dimensions fractales, pour étudier la propagation acoustique dans le domaine temporel, en se basant sur le modèle du fluide équivalent. L'équation obtenue réécrite dans le domaine fréquentiel représente une généralisation de l'équation d'Helmholtz. Dans le cadre du modèle d'Allard-Johnson, l'équation de propagation a été résolue de manière analytique dans le domaine temporel, dans les régimes des hautes et des basses fréquences. La résolution a été faite par la méthode de la transformée de Laplace, et a porté sur un milieu poreux semi-infini. Il a été trouvé que la vitesse de propagation dépend de la dimension fractale. Pour un matériau poreux fractal d'épaisseur finie qui reçoit une onde acoustique en incidence normale, les conditions d’Euler ont été utilisées pour déterminer les champs réfléchi et transmis. La résolution du problème direct a été faite dans le domaine temporel, par la méthode de la transformée de Laplace, et par l’usage des fonctions de Mittag-Leffler. Le problème inverse a été résolu par la méthode de minimisation aux sens des moindres carrés. Des tests ont été effectués avec succès sur des données expérimentales, en utilisant des programmes numériques développés à partir du formalisme établi dans cette thèse. La résolution du problème inverse a permis de retrouver les paramètres acoustiques de mousses poreuses, dans les régimes des hautes et des basses fréquences
The action integral minimization method (variational principle) provides the wave propagation equations. This method has been generalized to fractal dimensional porous media to study the acoustic propagation in the time domain, based on the equivalent fluid model. The resulting equation rewritten in the frequency domain represents a generalization for the Helmholtz equation. As part of the Allard-Johnson model, the propagation equation was solved analytically in the time domain, for both high and low frequencies fields. The resolution was made by the method of the Laplace transform, and focused on a semi-infinite porous medium. It was found that the wave velocity depends on the fractal dimension.For a fractal porous material of finite thickness which receives an acoustic wave at normal incidence, the Euler conditions were used to determine the reflected and transmitted fields. The resolution of the direct problem was made in the time domain by the method of the Laplace transform, and through the use of the Mittag-Leffler functions. The inverse problem was solved by the method of minimizing the least squares sense. Tests have been performed successfully on experimental data; programs written from the formalism developed in this work have allowed finding the acoustic parameters of porous foams, in the fields of high and low frequencies

This thesis aims at analysing the predictive capabilities of statistical URANS and hybrid RANS-LES methods to model complex flows at high Reynolds numbers and carrying out a physical analysis of the near-region turbulence and coherent structures. This study handles configurations included in the European research programmes ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) and TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). First, the detached flow in a configuration of a tandem of cylinders, positionned behind one another, is investigated at Reynolds number 166000. A static case, corresponding to the layout of the support of a landing gear, is initially considered. The fluid-structure interaction is then studied in a dynamic case where the downstream cylinder, situated in the wake of the upstream one, is given one degree of freedom in translation in the crosswise direction. A parametric study of the structural parameters is carried out to identify the various regimes of interaction. Secondly, the physics of the transonic buffet is studied by means of time-frequency analysis and proper orthogonal decomposition (POD), in the Mach number range 0.70–0.75. The interactions between the main shock wave, the alternately detached boundary layer and the vortices developing in the wake are analysed. A stochastic forcing, based on reinjection of synthetic turbulence in the transport equations of kinetic energy and dissipation rate by using POD reconstruction, has been introduced in the so-called organised-eddy simulation (OES) approach. This method introduces an upscale turbulence modelling, acting as an eddy-blocking mechanism able to capture thin shear-layer and turbulent/non-turbulent interfaces around the body. This method highly improves the aerodynamic forces prediction and opens new ensemble-averaged approaches able to model the coherent and random processes at high Reynolds number. Finally, the shock-wave/boundary-layer interaction (SWBLI) is investigated in the case of an oblique shock wave at Mach number 1.7 in order to contribute to the so-called "laminar wing design" studies at European level. The performance of statistical URANS and hybrid RANS-LES models is analysed with comparison, with experimental results, of integral boundary-layer values (displacement and momentum thicknesses) and wall quantities (friction coefficient). The influence of a transitional boundary layer on the SWBLI is featured.

Cette thèse porte sur la sécurité globale des structures en matériaux hétérogènes saturés soumis à des charges extrêmes, et est appliquée à des problèmes d’interaction fluide-structure, tels que l’interaction barrage-réservoir. Un modèle numérique d’interaction est proposé pour prédire les principales tendances et le comportement général d’un barrage en matériau saturé en interaction avec le réservoir dans des analyses de défaillance d’intérêt pratique. Le modèle numérique proposé est d’abord présenté dans un cadre bidimensionnel (2D), puis étendu à un cadre tridimensionnel (3D). La structure est considérée comme un milieu poreux saturé constitué d’un matériau cohésif. On suppose que le fluide externe en interaction avec la structure agit comme une source de saturation des pores. La réponse de la structure en matériau saturé est décrite avec un modèle lattice discrete couplé de type poutre, basé sur la discrétisation du domaine avec la tessellation de Voronoï, où les liens cohésifs sont représentés par des poutres de Timoshenko non linéaires avec un champ de déplacements enrichi en termes de discontinuités fortes. Le couplage entre la phase solide et le fluide dans les pores est traité avec la théorie de Biot et la loi de Darcy décrivant l’écoulement d’un fluide à travers d’un milieu poreux. La prise en compte numérique du couplage interne ajoute un degré de liberté supplémentaire du type pression à chaque nœud de l’élément fini de Timoshenko, qui est ensuite utilisé pour résoudre les problèmes d’interface entre la structure et le fluide. On considère que le fluide externe dans le réservoir est limité à des petits mouvements, ce qui nous permet de le modéliser avec la théorie des ondes acoustiques. Pour cela, la formulation lagrangienne avec l’approximation mixte déplacement-pression est choisie. Le traitement de l’interface fluide-structure dans le modèle numérique d’interaction est résolu d’une manière simple et efficace. Notamment, les éléments finis de la structure et du fluide externe partagent les mêmes degrés de liberté dans les nœuds communs, permettant ainsi la résolution du système d’équations avec une approche de calcul monolithique. Toutes les implémentations et les simulations numériques sont effectués avec la version recherche du code informatique FEAP (Finite Element Analysis Program). Les modèles numériques proposés pour la structure, le fluide externe et le modèle d’interaction sont validés dans le régime élastique linéaire en comparant les résultats calculés avec les valeurs de référence obtenues soit avec des solutions analytiques, soit avec des modèles continus. Les simulations numériques dans le régime non linéaire ont comme but de démontrer les capacités du modèle proposé de capturer la réponse complète à l’échelle macro et les mécanismes de rupture des structures en matériaux saturés. Enfin, la capacité du modèle d’interaction proposé de traiter la défaillance localisée progressive d’un barrage construit en matériau cohésif poreux sous l’interaction barrage-réservoir a été testé pour un programme de chargement spécifique. Pour prendre en compte les effets de la température, le couplage thermique est introduit dans le modèle numérique de la structure
This thesis studies the issue of the overall safety of structures built of heterogeneous and pore-saturated materials under extreme loads in application to fluid-structure interaction problems, such as the dam-reservoir interaction. We propose a numerical model of interaction capable of predicting main tendencies and overall behavior of pore-saturated dam structure interacting with the reservoir in failure analyses of practical interest. The proposed numerical model is first presented in two-dimensional (2D) framework and later extended to three-dimensional (3D) framework. We consider the structure built of porous cohesive material. We assume that the external fluid in interaction with the structure acts as a source of pore saturation. We model the response of the pore-saturated structure with the coupled discrete beam lattice model based on Voronoi cell representation of domain with inelastic Timoshenko beam finite elements enhanced with additional kinematics in terms of embedded strong discontinuities acting as cohesive links. The coupling between the solid phase and the pore fluid is handled with Biot’s porous media theory, and Darcy’s law governing the pore fluid flow. The numerical consideration of internal coupling results with an additional pressure-type degree of freedom placed at each node of the Timoshenko beam finite element, which is later used at the fluidstructure interface. The confined conditions met for external fluid placed in the reservoir enable the modeling of external fluid motion with the acoustic wave theory. For the numerical representation of the external fluid limited to small (irrotational) motion, we choose a Lagrangian formulation and the mixed displacement/pressure based finite element approximation. The end result are the displacement and pressure degrees of freedom per node of external fluid finite elements, which allows for the issue of the fluid-structure interface to be solved in an efficient and straightforward manner by directly connecting the structure and external fluid finite elements at common nodes. As a result, all computations can be performed in a fully monolithic manner. All numerical implementations and computations are performed with the research version of the computer code FEAP (Finite Element Analysis Program). The proposed numerical models of structure, external fluid and ultimately numerical model of interaction are validated in the linear elastic regime of structure response by comparing computed results against reference values obtained either with analytical solutions or continuum models. The numerical simulations in the nonlinear regime of structure response are performed with the aim to demonstrate the proposed coupled discrete beam lattice model capabilities to capture complete macro-scale response and failure mechanisms in pore-saturated structures. Finally, the proposed numerical model of interaction ability to deal with the progressive localized failure of a dam structure built of porous cohesive material under damreservoir interaction for a particular loading program was tested. To account for the temperature effects, the thermal coupling is introduced in the numerical model of the structure