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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplages IFS 11 juin 2004 Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure Pôle Structures et Couplages B. PESEUX

Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure Pôle Structures et Couplages

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Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure Pôle Structures et Couplages. B. PESEUX. Plan. Couplage Fluide-Structure Ce qui est bien maîtrisé Les études récentes Les études actuelles et les perspectives. Couplage Fluide-Structure. I-Ce qui est bien maîtrisé. Problèmes linéaires en : - PowerPoint PPT Presentation

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure

Pôle Structures et CouplagesB. PESEUX

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Plan

• Couplage Fluide-Structure– Ce qui est bien maîtrisé– Les études récentes– Les études actuelles et les perspectives

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Couplage Fluide-Structure

I-Ce qui est bien maîtrisé.

Problèmes linéaires en :-Hydroélasticité-Vibroacoustique

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Les Couplages traités

Domaine Intérieur(Réservoirs)

Domaine Extérieur(Flotteurs)

Domaine Intérieur/Extérieur(Cavité acoustique immergée)

s

Surface libre

Surface libre

s f

f

s

f1

f2

Fluide extérieur

Fluide intérieur

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

HYPOTHESES

FLUIDE

-Lourd-Parfait,-Mouvement irrotationnel-Compressible ou Incompressible

STRUCTURE

-Petites perturbations-Elasticité Linéaire

COUPLAGE

-Continuité des Vitesses Normales-Continuité des Contraintes Normales

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Les Equations du Pb Couplé

F l u i d e S t r u c t u r e

0

ftc dans )01( 2

2

2

- C o n d i t i o n s d e S u r f a c e l i b r e- C o n d i t i o n s à l ’ i n f i n i

sPsc fdiv dans

sdc Tn sur .

suduu sur

C o u p l a g e

SFs nnV

sur .

sSFd npT sur

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Les Méthodes de CouplageCouplage de codes

Structure Fluide-Couplage Eléments Finis- Eléments Finis(Bien adaptée aux problèmes intérieurs)-Couplage Eléments Finis- Equations Intégrales(Bien adaptée aux problèmes extérieurs)-Couplage Elém. Finis- Elém. Finis+Elém. infinis

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Système discrétisé

aFSGHBM

SFFaKaBaM

extfff

fextsss

-Couplage Eléments Finis- Eléments Finis

dSNnNsfsfe

ft

se

Cas particulier : Hydroélasticité-Masse ajoutée

FSHFSM ft

fa1

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

-Couplage Eléments Finis- Equations Intégrales

SFFaKaBaM fextsss

nVSD 1

FSSDAFSM tfa

1

Masse ajoutée

eGfsGfGfn aNnV )( aFSVn

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

ApplicationsHydroélasticité-Vibroacoustique

-Vibrations de Poutres, Plaques ou Coques(Némoz-Gaillard 1988, Bérot 1997)

-Vibrations de Réservoirs-Sloshing : Influence de la Condition de Surface Libre

-Réponse de Structures dans la houle-Flotteurs, Multicoques,…Codes « maison », SAMCEF-AQUADYN(Oudin 1988, Feng 1989)

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

-Réponse de Structures dans la houle(G. Marckmann, L. Gornet, B. Peseux)

Code Structure : SAMCEF Code Hydrodynamique : AQUADYN

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Code Structure : SAMCEF(Méthode des éléments finis)

-Couplage Faible : Réponse de la structure -Couplage Fort : base modale

Code Hydrodynamique : AQUADYN(Méthode des singularités)-Calcul de la raideur hydrostatique-Calcul des coefficients de masse et amortissement ajoutés-Calcul des efforts dus à la houle

Couplage

Projection sur le maillage élément fini

Collaborations : LMF, Multiplast (Jet Service V, Clubmed, Orange, ..), Banque Populaire

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

II-Les Etudes d ’actualité-Problèmes non linéaires II-1-Grands Déplacements :

-Grands déplacements de flotteurs :simulation de l’enfournement, du surf

(Tessier 1998)

-Sloshing :prise en compte de termes du second ordre

(DEA et communications 97-98-99-00)

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

-II-2-Impact hydrodynamique-B. Donguy 2002, Collaboration BEC -A. Constantinescu, A. Nème ENSIETA (Brest)

• Analyse “classique”: -Découplage fluide/structure-Code Impact :Théorie des tranches

vZone of study

Structural velocity field

velocities (m/s)

Vitesse d’impact : v = 6 m/s

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Surface Libre

0)t,P(dagr

() :

z

yx

Domaine fluide (f) :0

Interface

su

dans0P

dagr.dagr21

tf

à l’interface n.un s

sur la surface libre

Analyse “proposée”

0

zth

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

eB

dsNnNFS sT

fAvec:

T

fS FSUKUMUFSH

Hypothèses : -Structures « plates » 

conditions d ’interface écrites sur le plan z=0

surface mouillée inconnue

h =uz

h uz

h uz

Détermination de la surface mouillée : itérations

dSNnNFSs

t

fFSFS

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

ti

ti+12t

Problème Fluide }u{]FS[H iti }u{]FS[H iti

t2}{}{]FS[}{F

titiT

fi

Calcul de la force de “pression”

}F{}{u]K[ i1i Problème Structure

Résolution Numérique : Couplage Faible Adaptation des codes CASTEM et ABAQUS

i-

i+

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

NumericalExperimental

v = 2,5 m/s

sensor 2sensor 1

sensor 2sensor 1

Essais expérimentaux : études de cônes

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

II-3-Etude des effets de confinement - J.F. Sigrist (2004), C. Lainé, DCN Indret, B. Peseux

z2R'

Extrémité librePoutre élastique (u,v,)

E (Pa), I (m4), S (m2), S (kg/m3)

(t) Accélération imposée (,)l

Paroi rigide

h Surface libre (g)0

e Fluide incompressible (p)

F (kg/m3)

Encastrement 2R

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Problème structure non linéaire• Equations du mouvement

– Traction

– Flexion

• Résolution numérique (code Fortran)– Discrétisation spatiale : méthode des éléments finis

– Discrétisation temporelle : algorithme implicite/explicite au second en O(t2)

021 2

2

2

zv

zuES

ztuSS

)()(245221221221

1

21 nNLnNLnnnnnLn XKXKXt

MXtMX

tMK

tMX

vv

u

v

u

v

u

URVR

VU

KK

VU

MM 0

)()(

00

00

Szv

zv

zuES

zzvEI

ztvS SS

2

2

2

2

2

2

2

21

z (s)un

n+1

zn+1 (+1) vn+1

2

l

un

n

zn (0) vn

1

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Problème fluide non linéaire

• Equations dynamique en formulation ALE : (v,w,p)– Conservation de la masse

– Conservation de la quantité de mouvement

– Equation de conservation en espace

• Résolution numérique (code commercial CFD)– Discrétisation en espace : méthode des volumes finis, schéma de discrétisation au second ordre MARS– Discrétisation en temps : solveur découplé, algorithme implicite PISO– Maillage mobile– Méthode de capture d’interface VOF

0

)(1

j

jj

xwv

tJ

J

i

ij

ijjjii

xp

xwvv

tJv

J

)()(1 v

01

i

i

xw

tJ

J

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Couplage faible éléments finis/volumes finis (1)

• Couplage en temps : algorithme d’intégration explicite, décalé

• Filtrage des oscillations numériques hautes fréquences

(2)

vn-1, pn-1 PISO vn, pn Solveurfluide

vni, pn

i vni+1, pn

i+1

(1) (3)

vn* Couplage

n

un+1i un+1

i+1 Solveurstructure

un ITER un+1(4)

tn tn+1 Temps

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Couplage faible éléments finis/volumes finis (2)

• Couplage en espace : transfert des efforts et déplacement

• Gestion des non conformités de maillage

• Gestion des non conformités de maillage

Uk

zk zk+1

Uk+1

StructureFiniteElement

Fluid

Control

Volume

Displacement

Forces

k

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Couplage fort : résultats numériques

• Effets de non linéarités structure• Effets de masse d ’eau ajoutée et masse d’eau déplacée

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 5 10 15 20 252/R

max

t>0 {

V(l,

t)}/

L

Sans fluide - modèle linéaire

Sans fluide - modèle non linéaire

Avec fluide - modèle linéaire

Avec fluide - modèle non linéaire

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Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

III-Les Etudes en cours et les Perspectives

III-1-Impact hydrodynamique(M. Tourbier (2004), N. Moës, E. Béchet)

-Ecriture des conditions -de surface libre-d ’interface sur les surfaces réelles

par la méthode X-FEM

III-2-Couplage de codes (PPF: GeM-IRCYN-LMF)-Etude du couplage écoulement/mouvement pour la conception

d ’un robot sous-marin anguiliforme-Etude du couplage écoulement/déformation de structure

(Interface EF/Hydro)