Modélisation avec prise en compte de l’interaction fluide-structure du comportement sous charge d’un cerf-volant pour la traction auxiliaire des navires

Modeling with consideration of the fluid-structure interaction of the behavior under load of a kite for auxiliary traction of ships

• Auteur / Autrice : Chloé Duport
• Direction : Christian Jochum, Jean-Baptiste Leroux, Alain Nême, Kostia Roncin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Beyond the sea (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sime Malenica, Richard Leloup, Yves Parlier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bettar Ould El Moctar, Loïc Daridon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Constructions -- Calcul

Modèles mathématiques

Aérodynamique

Ailes de kite

Interaction fluide-structure

Énergie éolienne

Navires -- Propulsion

Glisse aérotractée

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Cerf-volant à boudins gonflés

Ligne portante

Modélisation

Éléments finis

Fluid-structure interaction

Leading edge inflatable kite

Lifting line

Modeling

Finite element

Résumé

Cette thèse fait partie du projet beyond the sea® qui a pour but de développer la traction par cerf-volant à boudins gonflés (kite) comme système de propulsion auxiliaire des navires. Comme le kite est une structure souple, il est nécessaire de mettre en place une boucle d’interaction fluide-structure pour calculer la géométrie du kite en vol et ses performances aérodynamiques. Un modèle de Ligne Portante 3D Non-Linéaire a été développé pour pouvoir gérer ces ailes non planes, avec des angles de dièdre et de flèche qui varient le long de l’envergure, et également pour pouvoir prendre en compte la non-linéarité du coefficient de portance de la section aérodynamique. Le modèle a été vérifié par des simulations RANSE sur différentes géométries et donne des résultats satisfaisants pour des angles d’incidence et de dérapage variant jusqu’à 15°, avec des différences relatives de quelques pour cent pour l’estimation de la portance globale de l’aile. Les résultats locaux sont aussi correctement estimés, le modèle est capable d’estimer la position du minimum et du maximum de chargement local, selon l’envergure de l’aile, et cela même pour une aile en dérapage. En parallèle, un modèle structure a été développé. L’idée principale du modèle Kite as a Beam est de réduire le kite à un ensemble d’éléments poutre, chacun équivalent à une partie du kite composé d’une section du boudin d’attaque, de deux lattes gonflées et de la canopée correspondante. Le modèle Kite as a Beam a été comparé à un modèle éléments finis complet du kite sur des cas de déplacements élémentaires. Les résultats montrent certaines différences de comportement entre les deux modèles, avec notamment une surestimation de la raideur en torsion pour le modèle Kite as a Beam. Finalement, le modèle Kite as a Beam a été couplé avec la Ligne Portante 3D Non-Linéaire, puis comparé au modèle éléments finis, couplé également avec la Ligne Portante. La réduction du temps de calcul est réellement importante mais les résultats de la comparaison montrent la nécessité de calibrer le modèle Kite as a Beam pour pouvoir retrouver correctement les résultats du modèle éléments finis.

The present thesis is part of the beyond the sea® project which aims to develop tethered kite systems as auxiliary devices for ship propulsion. As a kite is a flexible structure, fluid-structure interaction has to be taken into account to calculate the flying shape and aerodynamic performances of the wing. A 3D Non-Linear Lifting Line model has been developed to deal with non-straight kite wings, with dihedral and sweep angles variable along the span and take into account the non-linearity of the section lift coefficient. The model has been checked with 3D RANSE simulations over various geometries and produces satisfactory results for range of incidence and sideslip up to 15°, with typical relative differences of few percent for the overall lift. The local results are also correctly estimated, the model is able to predict the position of the minimum and maximum loading along the span, even for a wing in sideslip. Simultaneously, a structure model has been developed. The core idea of the Kite as a Beam model is to approximate a Leading Edge Inflatable kite by an assembly of beam elements, equivalent each to a part of the kite composed of a portion of the inflatable leading edge, two inflatable battens and the corresponding canopy. The Kite as a Beam model has been compared to a complete kite Finite Element model over elementary comparison cases. The results show the behaviour differences of the two models, for example the torsion stiffness is globally overestimated by the Kite as a Beam model. Eventually, the Kite as a Beam model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model is compared to the complete finite element model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model. The gain in computation time is really significant but the results show the necessity of model calibration if the Kite as a Beam model should be used to predict the results of the complete finite element model.