Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure Pôle Structures et Couplages

Problèmes Couplés-Pôle Structures et couplagesIFS 11 juin 2004

Quelques Problèmes de Couplage Fluide-Structure

Pôle Structures et CouplagesB. 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 :-Hydroélasticité-Vibroacoustique


Les Couplages traités

Domaine Intérieur(Réservoirs)

Domaine Extérieur(Flotteurs)

Domaine Intérieur/Extérieur(Cavité acoustique immergée)

s

Surface libre

Surface libre

sf

f

s

f1

f2

Fluide extérieur

Fluide intérieur


HYPOTHESES

FLUIDE

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

STRUCTURE

-Petites perturbations-Elasticité Linéaire

COUPLAGE

-Continuité des Vitesses Normales-Continuité des Contraintes Normales


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


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


Système discrétisé

aFSGHBM

SFFaKaBaM

extfff

fextsss

-Couplage Eléments Finis- Eléments Finis

dSNnNsfsfe

ft

se

Cas particulier : Hydroélasticité-Masse ajoutée

FSHFSM ft

fa1


-Couplage Eléments Finis- Equations Intégrales

SFFaKaBaM fextsss

nVSD 1

FSSDAFSM tfa

1

Masse ajoutée

eGfsGfGfn aNnV )( aFSVn


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)


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

Code Structure : SAMCEF Code Hydrodynamique : AQUADYN


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


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)


-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

v

Zone of study

Structural velocity field

velocities (m/s)

Vitesse d’impact : v = 6 m/s


Surface Libre

0)t,P(dagr () :

z

y

x

Domaine fluide (f) :0

Interface

su

dans0

Pdagr.dagr

2

1

tf

à l’interface n.un

s

sur la surface libre

Analyse “proposée”

0

zt

h


eB

dsNnNFS sT

fAvec:

T

fS FSUKUM

UFSH

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

fFS FS


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+


NumericalExperimental

v = 2,5 m/s

sensor 2sensor 1

sensor 2sensor 1

Essais expérimentaux : études de cônes


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

z

2R'Extrémité libre

Poutre 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


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)

02

12

2

2

z

v

z

uES

zt

uSS

)()(245

22

1221221

1

21 nNLnNLnnnnnLn XKXKXt

MX

t

MX

t

MK

t

MX

vv

u

v

u

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u

UR

VR

V

U

K

K

V

U

M

M 0

)(

)(

0

0

0

0

Sz

v

z

v

z

uES

zz

vEI

zt

vS SS

2

2

2

2

2

2

2

2

1z (s)

un

n+1

zn+1 (+1) vn+1

2

l

un

n

zn (0) vn

1


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

x

wv

t

J

J

i

ij

ijjjii

x

p

x

wvv

t

Jv

J

)()(1 v

01

i

i

x

w

t

J

J


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


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


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


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)

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