Nage sous marine générée par boucle de rétroaction de courbure avec modélisation de muscles locomoteurs

Self-propelled swimming by means of curvature-based feedback and muscle like elements

• Auteur / Autrice : David Gross
• Direction : Médéric Argentina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/09/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Boyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Médéric Argentina, Frédéric Boyer, Christophe Eloy, Serge Huberson, Yann Roux, Christophe Raufaste, Uwe Ehrenstein, Benjamin Thiria
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Eloy, Serge Huberson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Natation

Sensibilité proprioceptive

Éléments finis, Méthode des

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Méthode des éléments finis

Méthodes des panneaux

Proprioception

Nage

Auto-propulsion

Modélisation du muscle

Fluid-structure interaction

Finite element method

Panel methods

Proprioception

Swimming

Self-propulsion

Muscle modelization

Résumé

L'autopropulsion basée sur la propagation d'ondes de déformation, comme pour les poissons, pourrait être une alternative intéressante par rapport au déplacement généré par des hélices pour les bateaux et les véhicules sous-marins. La locomotion par ondulations implique une flexibilité de la structure du véhicule, dont il faut prendre en compte pour la dynamique des fluides et donc quantifier la vitesse et le rendement du déplacement. Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthode d'interaction fluide-structure (IFS) liant un solveur de dynamique de structure par éléments finis avec un solveur ''vortex panel'' bidimensionnel pour le couplage avec le fluide et une méthode des particules pour la résolution du sillage. Chaque composante du couplage IFS est d'abord validée indépendamment, puis nous testons le système complet dans le cadre d'une plaque flexible et bidimensionnelle en oscillation. La relation entre les paramètres cinématiques de nage et la vitesse de déplacement est reproduite et l'importance de la traînée pour cette relation est analysée avec détails. Pour modéliser le comportement d'un nageur souple, en autopropulsion, nous distribuons spatialement un moment de flexion, ce qui nous permet de faire des prédictions sur les grandeurs cinématiques de la nage. Par la suite, nous montrons qu'un moment de force rétroactif basée sur la courbure de déformation du nageur, avec un délai temporel, génère une autopropulsion différente de celle observée avec un forçage actif de moment de flexion. Nous proposons un modèle simplifié, capable à décrire le comportement du nageur avec rétroaction, pour comprendre qualitativement les phénomènes en jeux. Finalement, nous dérivons un modèle de muscle, en s'inspirant de la biologie ; et nous évaluons l'importance des différents paramètres du modèle quant à la performance d'autopropulsion. Le manuscrit de thèse se termine par l'analyse d'une plaque mince en trois dimensions, mise en oscillation pour apprécier la pertinence de la méthode tridimensionnelle ''vortex panel'' pour simuler la nage dans des conditions réelles.

Undulatory wave-based self-propulsion like used by fish may be a suitable alternative to traditional propeller-based propulsion for underwater vehicles. The use of undulatory propulsion implies a certain degree of structural flexibility will be present, hence consideration of both fluid and structure is critical to assessing the behavior of this form of propulsion. In this thesis, a novel segregated fluid-structure interaction (FSI) coupling scheme is developed between a finite element structure solver and a 2D unsteady panel method fluid solver with discrete vortex particle wake approach. The different components of the FSI solver are validated first individually and then as a whole using the case of a flexible two-dimensional plate in pure heave. The scaling law relating input swimming variables and the resulting swimming speed is then reproduced and the importance of drag to these relations is elucidated.A self-propelled swimmer whose beam-like structure and rigid body motions are resolved is then examined under the influence of an imposed bending moment distribution. A curvature-based, delayed proprioceptive feedback is then applied to deform the self-propelled swimmer. Feedback based swimming was found to be distinct from active, imposed bending moment swimming. A simplified one degree of freedom model was found to qualitatively describe the feedback swimmer behavior. A swimmer using muscle-like elements is then assessed to determine the relative importance of different muscle properties with the aim of identifying if the non-linear behavior of muscles is beneficial to self-propulsion. Finally, a three-dimensional, thin plate in pure heave is examined with the aim of determining to what extent an 3D panel method can be used in lieu of computationally expensive viscous flow approaches self-propulsion analysis in 3D.