Amélioration de la rapidité et de la precision puis validation d’un solveur hydrodynamique naval CFD pour des interactions houle navire complexes

Numerical improvement and validation of a naval hydrodynamics CFD solver in view of performing fast and accurate simulation of complex ship-wave interaction.

• Auteur / Autrice : Young Jun Kim
• Direction : David Le Touzé, Benjamin Bouscasse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Andrea Di Mascio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Le Touzé, Benjamin Bouscasse, Andrea Di Mascio, Michel Benoit, Bettar Ould El Moctar, Giuseppina Colicchio, Sopheak Seng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Benoit, Bettar Ould El Moctar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Hydrodynamique

Équations de Navier-Stokes -- Solutions numériques

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Schéma à haut ordre

OpenFOAM

Intéraction houle-structure

Génération de vagues

SWENSE

Résistance ajoutée

High-order scheme

Diagonally Implicit Runge-Kutta (DIRK) scheme

OpenFOAM

Wave-structure interaction (WSI)

Wave generation

SWENSE

Added resistance analysis

Résumé

La thèse a pour sujet l'efficacité et la précision des schémas numériques utilisés dans un solveur CFD dédié aux applications navales, en particulier pour les problèmes d'interaction vaguestructure. Des études spécifiques sont réalisées sur des sous-parties du solveur numérique, le modèle d'interface air/eau, l'intégration en temps, et l'utilisation du modèle SWENSE. Pour chaque aspect, l'influence de la discretisation spatiale et temporelle est également étudiée. Une première étude est effectuée sur les schémas de traitement d'interface. Dans le cadre du schéma de capture d'interface Volume of Fluid, deux méthodes de convection d'interface et deux conditions d'interface sont testées pour la propagation d'ondes 2D et des cas typiques d'impact. Les schémas d'intégration temporelle DIRK (Diagonally Implicit Runge-Kutta) sont ensuite implémentés dans le solveur biphase moyenné incompressible (foamStar) et sur le solveur modifié sur les équations de Navier-Stoke Explicit Wave Spectral (FoamStarSWENSE). La validité et l'ordre de convergence des méthodes DIRK d'ordre supérieur sont confirmés à l'aide de cas tests ou la solution analytique est connue comme un flux de Taylor Green Vortex 2D puis sur la propagation d'onde régulière dans le domaine périodique. Deux types d'applications sont effectuées avec les solveurs développés. D'abord des vagues régulières et irrégulières dans le bassin numérique sont qualifiée à l'aide d'une procédure déterministe et stochastique. L'efficacité de chaque schéma DIRK est estimée à différentes résolutions. La deuxième application détaillée est la tenue en mer de la coque Wigley III et du navire KCS avec vitesse d'avance. L'efficacité et la précision du schéma DIRK et du modèle SWENSE sont étudiés.

The present thesis aims to study the efficiency and the accuracy of numerical schemes for naval applications, especially for unsteady wavestructure interaction problems. Specific studies are done on subparts of the solver: the interface model, the time integration schemes and the use of SWENSE model. The study on the interface treatment schemes is performed with the Volume of Fluid interface capturing scheme. Two interface convection methods and two interface conditions are tested for 2D wave propagation and impact cases. The Diagonally Implicit Runge-Kutta (DIRK) time integration schemes are applied to two-phase flow solvers. The DIRK method is applied to an incompressible averaged two-phase flow solver (foamStar) and a two-phase flow solver based on the Spectral Wave Explicit Navier-Stoke Equations (foamStarSWENSE). The validity and the order of convergence of the higher-order DIRK methods are confirmed using a 2D Taylor Green Vortex flow. The efficiency of the DIRK method is then studied on the two-phase regular wave propagation in the periodic domain. With two solvers and various DIRK schemes, two types of applications are performed. First, the qualification analysis on the regular and the irregular wave in the numerical wave tank is performed. The efficiency of each DIRK scheme is compared with various resolutions, and theparameters for qualified wave propagation are proposed. Second, the seakeeping analysis of the Wigley III hull and the KCS with a forward speed is then performed, and the efficiency and the accuracy of the DIRK scheme with two solvers are compared.