Simulation numérique d'interaction fluide structure : application à la propulsion

Numerical simulation of fluid-structure interaction : application to propulsion

• Auteur / Autrice : Jérémie Labasse
• Direction : Uwe Ehrenstein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 22/06/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Jacques-André Astolfi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie-Claude Bayeul Lainé, Sylvain Guillou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation de fluide (Infographie)

Navires -- Propulsion

Interaction fluide-structure

Mécanique navale

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Plaque en tangage-pilonnement

Propulsion

Simulation numérique

OpenFOAM

Pitching-heaving plate

Propulsion

Numerical simulation

OpenFOAM

Résumé

Dans le contexte de la modélisation de la propulsion bio-inspirée, le tangage et le pilonnement sont souvent considérés comme des archétypes des mouvements observés et un des objectifs des recherches dans ce domaine est d'établir des lois de propulsion, ce travail de thèse s'insérant dans cette thématique. Dans cet objectif, tout d'abord une plaque d'épaisseur négligeable en mouvement de tangage dans un écoulement uniforme est considérée. Ce système fluide-structure est abordé numériquement utilisant l'environnement numérique OpenFOAM qui permet de gérer le mouvement de la plaque. Les résultats des simulations numériques sont validés par comparaison avec des données existantes, pour un nombre de Reynolds de 2000. Une loi de propulsion est proposée et confrontée à des lois existantes dans la littérature. Dans un deuxième temps un profil NACA0018 en mouvement de pilonnement puis de tangage-pilonnement est étudié. Pour ces mouvements à grandes amplitudes une superposition de maillage est utilisée (appelée méthode Chimera). À partir des données des simulations, pour un nombre de Reynolds de 510^4 et pour une grande gamme de paramètres, des lois de propulsions sont proposées pour le pilonnement ainsi que pour le tangage-pilonnement. Enfin un dispositif de propulsion cycloïdale développé par l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale (IRENav) consistant en trois pales en mouvement de rotation-tangage est abordé numériquement. Les simulations des efforts générés s'avèrent très proches des données expérimentales obtenues à l'IRENav. Aussi, il est montré que la loi proposée pour le tangage-pilonnement reste pertinente pour prédire les efforts développés par le dispositif

Pitching and heaving are generally considered as archetype motions in the context of bio-inspired propulsion modeling, an important research objectif in this field being to establish propulsion laws, which is the general topic of this thesis work. For this purpose, first a plate of negligible thickness undergoing pitching motions in a uniform flow is considered. This fluid-structure system is numerically handled using the OpenFOAM environment which is capable of managing the motion of the plate. The numerical simulation results are validated by comparison with existing data, for a Reynolds number of 2000. A propulsion law is proposed and compared with scalings available in the literature. In a second step, a foil (a NACA0018 profile) in a heaving motion, and subsequently in a pitching-heaving motion, is investigated. Large amplitudes of the foil's movement are considered and a mesh superposition technique is used, this approach being known as the Chimera method. Performing an exhaustive analysis of the large amount of simulation data, for a Reynolds number of 510^4 and for a wide range of parameters, propulsion laws are proposed for heaving as well as for pitching-heaving. At last, a cycloidal propulsion device developed by the Naval Academy Research Institute (IRENav) consisting of three blades in rotating-pitching motion is considered. The numerical predictions of the forces generated in this configuration are shown to be close to the experimental measurements obtained at IRENav. Also, it is shown that the proposed academic law for pitching-heaving motions is still relevant in this cycloidal propulsion context to predict the forces developed by the device