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RÉSUMÉ
Modéliser et calculer les Interactions Fluide-Structure (IFS) intéresse de nombreuses situations rencontrées en hydrodynamique, comme la propulsion ou la tenue à la mer. Cet article est à destination d’élèves ingénieur en génie mécanique et d’ingénieurs en calcul scientifique et simulation numérique. Il présente une introduction aux méthodes de calcul par couplage de codes, utilisées afin de représenter l’IFS. Donnant des applications à l’hydrodynamique navale, les techniques présentées peuvent s’appliquer à toute autre situation.
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) - Tours, France
INTRODUCTION
L’Interaction Fluide-Structure (IFS) désigne un échange d’énergie entre les mouvements d’une structure et l’écoulement d’un fluide. Elle se rencontre en hydrodynamique navale dans de multiples situations – et concerne de nombreux autres secteurs industriels (construction aéronautique et automobile, génie civil et nucléaire). Elle conditionne en particulier les performances hydrodynamiques de nombreux systèmes réalisant les fonctions de propulsion et de stabilisation du navire (hélices, safrans, carènes, voiles).
Les techniques de simulations numériques actuelles offrent de modéliser l’interaction fluide-structure dans des configurations géométriques réelles. Les stratégies dites de « co-simulation » utilisent deux codes de calcul : un code de mécanique de structures et un code de mécanique des fluides. Elles tirent parti des fonctionnalités dévolues à ces deux outils de simulation et permettent de représenter finement les interactions fluide/structure.
Développées depuis plusieurs décennies, ces techniques de calcul sont disponibles aux ingénieurs de l’industrie afin d’étudier des situations nécessitant de rendre des IFS. Elles sont disponibles dans des outils de simulation commerciaux généralistes comme dans les codes open-source.
Cet article propose une introduction à ces techniques de calcul, en donnant différents exemples d’application à l’hydrodynamique navale. Il s’adresse principalement à des étudiants en génie mécanique, et plus généralement à des ingénieurs en calcul scientifique et à des concepteurs d’installations concernées par cette problématique, dans l’industrie navale ou des énergies marines renouvelables.
Après avoir exposé des éléments de contexte concernant l’IFS, l’article propose un rappel des modélisations et formulations des problèmes de dynamique des fluides et des structures, ainsi que les méthodes accessibles aux ingénieurs dans les codes de calcul. Les stratégies de couplage en temps et en espace sont ensuite évoquées dans leurs grandes lignes – en soulignant les points particuliers du couplage (stabilité et précision numériques en particulier). Trois exemples d’applications à l’hydrodynamique navale sont ensuite présentés.
Le propos est complémentaire de nombreux exposés relatifs à l’IFS et à la simulation numérique en mécanique des fluides et des structures. Ils font l’objet de dossiers spécifiques accessibles dans la base documentaire des Techniques de l’Ingénieur. Le lecteur trouvera ces références dans la partie documentation associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.
En fin d’article, est proposé un glossaire des termes et expressions importants.
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MOTS-CLÉS
simulation numérique interaction fluide-structure dynamique des structures dynamique des fluides coupage de codes co-simulation
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1. Interaction fluide-structure
1.1 Exemples d’IFS en hydrodynamique
En hydrodynamique, les effets d’interaction fluide-structure peuvent se manifester dans différentes situations et il convient d’en rendre compte à l’aide d’une modélisation appropriée, ainsi que des méthodes numériques précises et efficaces pour la représenter dans une simulation numérique.
Un calcul est réalisé en général pour répondre à une question posée à la conception, comme nous l'évoquons plus loin dans cet article. La simulation est alors utilisée afin de :
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justifier des qualités et performances attendues pour un concept. Il s’agit de calculer une grandeur physique donnée (la vitesse de l’air ou de l’eau pour un écoulement autour d’une aile, d’une pale, d’une carène ; la valeur des forces mécaniques s’exerçant sur un objet ; la déformation qu’il subit en retour ; l’intensité des vibrations…) et de la comparer à un critère admissible. Le critère est en général énoncé par un guide de conception, un règlement de sécurité, etc. L’analyse s’efforce de conclure de façon tranchée, nonobstant les limites d’interprétation que supposent une modélisation et un calcul ;
-
comparer des situations d’exploitation et des options de conception d’un produit ou d’un système donné pour choisir celui qui présente les meilleures caractéristiques. La conclusion est établie sur la base d’un compromis entre différentes exigences (faisabilité technique, contraintes économiques, etc.).
Les outils de calcul dits « généralistes », et les outils de calcul dits « experts », centrés sur une méthode spécifique et performante, deviennent à ce jour suffisamment fiables pour produire des données utiles à la compréhension de phénomènes physiques en jeu dans diverses situations en hydrodynamique navale.
Les calculs mettant en jeu l’IFS permettent plutôt de comparer des architectures, des choix de conception ou des situations opérationnelles – voire d’optimiser un concept ou un produit.
Plusieurs exemples d’utilisation en hydrodynamique des simulations d’IFS peuvent être citées, parmi lesquelles :
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la stabilité des navires de surface dans des conditions de navigation normales...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - YVIN (C.), LEROYER (A.), GUILMINEAU (E.), QUEUTEY (P.), VISONNEAU (M.) - Couplage de codes pour l’étude d’interactions fluide-structure de corps rigides dans le domaine de l’hydrodynamique navale. - 14èmes Journées de l’Hydrodynamique (2014).
-
(2) - FERNANDEZ (M.A.) - Modèles simplifiés d'interaction fluide-structure. - Thèse de doctorat, Université Paris-Dauphine (2001).
-
(3) - GUILLARD (H.), FARHAT (C.) - On the significance of the geometric conservation law for flow computations on moving meshes. - Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 190, 1467-1482 (2000).
-
(4) - BOFFI (D.), GASTALDI (L.) - Stability and geometric conservation laws for ALE formulations. - Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193, 4717-4739 (2004).
-
(5) - CAO (W.), HUANG (W.), RUSSELL (R.D.) - A moving mesh method based on the geometric conservation law. - SIAM Journal on Scientific Computing, 24, 118-142 (2002).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Romain GAILLARD, « Centrale Nantes et Bureau Veritas se lancent dans la transformation numérique de la construction navale », L’Usine Digitale, 7 mars 2016.
Julie DANET, « Plus de courant dans les pales », Sciences Ouest, février 2015.
https://www.espace-sciences.org/sciences-ouest/328/dossier/plus-de-courant-dans-les-pales
Ravindra KRISHNAMURTHY, « The Art and Science of Meshing Airfoils », GridPro, 6 novembre 2017.
http://blog.gridpro.com/the-art-and-science-of-meshing-airfoils/
Claire MARION, « Une hélice propulsée à l’innovation », Le Télégramme de Brest, 16 mai 2018.
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