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Couplage de codes en interaction fluide-structure et applications aux instabilités fluide-élastiques

type de publication      thèse de doctorat
date de publication 16-06-2008
auteur(s) Huvelin Fabien
jury S. Souli; E. Longatte; J.F. Gerbeau; P. Laure; F. Baj; A. Hamdouni; D. Lucor; J.F. Sigrist
école Université de Lille 1
  
résumé Les phénomènes d'interaction fluide-structure sont présents dans de nombreux secteurs de l'ingénierie moderne. Dans le cas d’une chaudière d’un réacteur à eau pressurisée, les vibrations induites par écoulements peuvent entraîner des dégâts irrémédiables sur les structures. Les générateurs de vapeurs dont la partie basse est soumise à des écoulements transverses à caractère monophasique, ou les grappes de commandes et les assemblages combustibles, soumis à des écoulements axiaux, sont particulièrement sujets à ce type de vibration de par leurs configurations en faisceau. Par la mesure directe des chargements fluides, il est souvent difficile de distinguer les différents mécanismes physiques mis en jeu en configuration couplée. Des méthodes indirectes basées sur des mesures expérimentales ont été développées. Celles-ci s'appuient sur des modèles analytiques reliant les forces fluides à des paramètres d'échelles pertinents et ont besoin d’être alimentées par des mesures expérimentales adaptées à chaque configuration étudiée, ce qui a un coût important. L’utilisation de codes de thermohydraulique fine (3D local) est alors une alternative pour étudier un grand nombre de configurations. Un couplage entre des codes de simulations fines en mécanique des fluides et en mécanique des structures est développé. Dans un premier temps, des schémas de couplages sont introduits, afin de résoudre le décalage lié à une résolution partitionnée des équations fluide et structure et les conséquences sur les conditions aux limites à l'interface entre les deux domaines. Dans un second temps, les équations de la mécanique des fluides sont formulées à l’aide de la méthode Arbitraire Euler Lagrange (ALE). Cette formulation permet une déformation du maillage fluide tout en conservant de bonnes propriétés de résolution des équations fluides, afin de suivre l'interface fluide-structure, la structure étant résolue sur un domaine mobile. Et dans un dernier temps, une méthode de projection de données est introduite afin de pouvoir imposer les conditions aux limites sur chaque domaine à partir des données de l'autre code. Une étude semi-analytique et numérique sur le couplage partitionné permet de classifier, de manière énergétique, différents schémas de couplage et de quantifier l’erreur numérique liée au schéma de couplage. L’application au cas d'une structure soumise à un écoulement interne permet de reproduire numériquement le caractère instable de la structure flexible, ce dernier dépendant de la vitesse d'écoulement. Et enfin une étude sur les faisceaux de tubes est menée. Dans un premier temps, des simulations avec un unique tube mobile sont obtenues. Dans le cas d'un fluide au repos, les résultats sont comparés à une solution semi-empirique et une solution numérique. Dans le cas d'un fluide sous écoulement, le départ en instabilité du tube mobile est recherché et les résultats sont comparés à une autre simulation numérique. Dans un second temps, la simulation est reprise avec un ensemble de tubes mobiles afin de mettre en évidence le départ en instabilité des structures. En enfin, des calculs préliminaires en trois dimensions sont menés.
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