Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique est un enjeu d’innovation pour les éditeurs de codes de calcul et leurs utilisateurs industriels. Ce retour d’expérience présente l’exemple d’un projet de R&D contribuant à évaluer les techniques de co-simulation des interactions fluide-structure pour des applications à l’hydrodynamique des profils portants. Réalisé sur près d’une décennie en collaboration avec des laboratoires académiques, le projet a accompagné l’appropriation et la validation de ces méthodes (en particulier par confrontation à des résultats d’essais) pour un usage industriel.
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The development of numerical techniques within engineering tools, such as finite element/finite volume-based codes and coupling strategies for simulation fluid-structure interactions, is of significant importance for many industrial compagnies which are using simulation for innovation purposes or for the demonstration of reliability and security of various critical systems. In the present article a R&D project, jointly carried out by an industrial user, academic laboratories with the support of a code editor, is discussed, highlighting the validation and application of “co-simulation” techniques for applications in the naval sector.
Auteur(s)
-
Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
Rendre compte des interactions mécaniques entre l’écoulement d’un fluide et les déformations d’une structure pour des systèmes couplés s’avère crucial pour mieux dimensionner certaines pièces ou composants (comme dans le secteur des énergies renouvelables ou du naval). Les techniques de « co-simulation », visant à tirer parti des fonctionnalités offertes par des outils numériques dédiés à la dynamique des fluides et des structures et à coupler ces outils, sont l’une des innovations proposées par les éditeurs de codes de calcul pour permettre aux ingénieurs de simuler divers problèmes d’interaction fluide-structure.
Fruits de recherches académiques, qui ont proposé des algorithmes de couplage efficaces, aux propriétés numériques (précision, stabilité, etc.) démontrées, et de développements industriels, qui ont accompagné la mise en œuvre de ces algorithmes dans des outils d’ingénieur, ces techniques de « co-simulation », d’un usage complexe, restent encore peu exploitées par les ingénieurs.
On propose un retour d’expérience sur un projet de R&D visant à évaluer, valider et diffuser ces techniques dans l’industrie navale. Conduit dans le cadre d’une collaboration avec des partenaires académiques, s’appuyant sur des résultats d’essais et recevant le soutien d’éditeurs de solutions numériques, le projet a permis de mettre en évidence les opportunités offertes par ces techniques de calcul et d’en identifier les limites d’utilisation pour des applications à l’hydrodynamique de profils portants déformables.
Domaines : innovation, recherche collaborative
Entreprises concernées : constructeurs (industrie navale, énergies marines), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (conception de systèmes de propulsion, de récupération d’énergie)
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis, volumes finis
Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie navale et maritime, énergies marines renouvelables
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
numerical simulation | fluid-structure interaction | hydrodynamics | CSD-CFD coupling
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
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Présentation
Mise en œuvre du projet – actions menées1. Contexte-enjeu-objectifs du projet
1.1 De nouveaux usages de la simulation pour répondre aux besoins de nouvelles conceptions
Le développement de nouveaux produits dans la filière maritime, navale et énergie marines demande conjointement de mettre au point de nouvelles méthodes de calcul afin de simuler leur fonctionnement et d’accompagner leur conception et leur optimisation. C’est typiquement le cas de certains profils portants (ou hydrofoils), que l’on souhaite rendre plus souples, afin de concevoir par exemple des propulseurs plus légers, plus discrets et plus affinés. C’est également le cas de nouveaux systèmes de récupération d’énergie, comme les hydroliennes, dont certaines pièces sont conçues en matériaux composites. À la différence du secteur de l’aéronautique, qui conçoit des ailes construites en matériaux composites et soumises à des écoulements d’air, le secteur de la construction navale cherche à dimensionner des hydrofoils, lesquels sont assujettis à des forces « hydrodynamiques », ce qui demande de prendre en compte, comprendre et prédire les effets de couplage mécanique fluide-structure.
L’un des moyens pour y parvenir est de simuler ces interactions au moyen de modèles numériques opérés sur ordinateur. Pour les applications précitées, il s’agit alors de disposer de solutions et modèles de référence, obtenus par simulation numérique, intégrant – dans des hypothèses de calcul industriel – une physique multiple : celle du comportement des structures souples (isotrope lorsqu’elles sont constituées de matériaux élastomères, anisotrope lorsqu’elles sont constituées de matériaux composites) et celle du couplage fluide-structure, et éventuellement d’intégrer d’autres effets physiques (comme la turbulence ou la cavitation). Un choix pragmatique est de travailler avec des outils « commerciaux », disponibles « sur étagère » car déployés en bureau d’études, et d’évaluer les apports des techniques de « co-simulation » (figure 1), lesquelles se fondent sur le couplage entre un code de dynamique des structures (CSD pour computational structural dynamics en anglais) et un code de dynamique des fluides (CFD pour computational fluid dynamics) et dont on expose le principe dans les articles ...
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Contexte-enjeu-objectifs du projet
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BENAOUICHA (M.) - Contribution au développement d’algorithmes de couplage en interaction fluide-structure. - Thèse de doctorat, université de La Rochelle (2007).
-
(2) - DESBONNETS (Q.) - Stabilité de systèmes mécaniques en vibration sous écoulement. - MATMECA/université de Bordeaux (2009).
-
(3) - DUCOIN (A.) - Étude de l’influence du couplage fluide/structure sur les performances hydrodynamiques d’une surface portante. - Thèse de master, École Centrale de Nantes (2005).
-
(4) - DUCOIN (A.) - Étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure. - Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes (2008).
-
(5) - DUCOIN (A.) - Contributions à l’étude hydro-élastique des pales flexibles sous chargements instationnaires. - Habilitation à diriger les recherches, École Centrale...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Écoulement des fluides. Introduction
-
Interactions fluide-structure. Modélisation physique et méthodes numériques
-
...
ANNEXES
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ABAQUS – https://www.3ds.com/fr/produits-et-services/simulia/produits/abaqus/
CASTEM – http://www-cast3m.cea.fr
Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)Collège de Polytechnique – http://www.collegepolytechnique.com
Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)Association française de mécanique (AFM) – http://www.afm.asso.fr
American Society of Mechanical Engineers (ASME) – http://www.asme.org
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)Naval Group Research
Centre d’Expertise des Structures et Matériaux Navals
5, rue de l’Halbrane
44340 BOUGUENAIS
https://www.naval-group.com/fr
École Centrale de Nantes
1, rue de la Noë
BP 92101
44321 NANTES
École Navale
29160 LANVEOC
HAUT DE PAGE
Computers & Fluids
https://www.sciencedirect.com/journal/computers-and-fluids/...
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