Développement d'un solveur haute fidélité d'interaction fluide-structure : vers la simulation de profils flexibles

Development of a high fidelity fluid-structure interaction solver : towards flexible foils simulation

• Auteur / Autrice : Thomas Fabbri
• Direction : Guillaume Balarac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique,
• Date : Soutenance le 03/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume de Nayer, Olivier Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Nicoud, Emmanuel Lefrançois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Simulation des grandes échelles

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Interaction fluide-Structure

Simulations aux Grandes Echelles

Methode des éléments finis

Maillage non structuré

Adaptation dynamique de maillage

Mouvement de maillage

Fluid-Structure Interaction

Large-Eddy Simulation

Finite element method

Unstructured grid

Dynamic mesh adaptation

Mesh movement

Résumé

De récentes études expérimentales tendent à montrer que l’utilisation de pales flexibles pour des turbines à axe vertical améliore leur rendement et augmente leur durée de vie. La simulation numérique de telles expériences permettrait une meilleure compréhension du phénomène d’Interaction Fluide-Structure (IFS) enjeu. Cependant, cela nécessite un solveur IFS capable de prédire la dynamique de décrochage avec précision, tout en calculant la déformation d’un solide à géométrie complexe. Le but de la thèse est donc de développer un solveur capable de reproduire fidèlement des cas de profils flexibles à haut nombre de Reynolds. Le manuscrit présente ainsi le développement d’un solveur employant une approche de Simulations aux Grandes Echelles (SGE) pour prédire la dynamique du fluide et des éléments finis solides 3D pour la dynamique du solide, le tout sur des maillages non structurés. Les développements ont été réalisés au sein de la librairie YALES2, qui a initialement été conçue pour la mécanique des fluides. Un solveur structure a donc été développé lors dans ce travail pour prédire les déplacements du solide. De plus, une méthode originale du type pseudo-solide a été proposée pour le calcul du mouvement de maillage fluide. Les solveurs fluide et solide sont fortement couplés avec un schéma partitionné permettant de reproduire des cas où le solide et le fluide ont des densités proches. Le solveur IFS résultant de ce travail est donc en mesure de reproduire une large variété de cas complexes, et peut aussi employer une méthode d’adaptation dynamique de maillage pour pouvoir prendre en compte de grands déplacements solides. Une fois les méthodes numériques expliquées en détail, le solveur IFS est validé. Un cas numérique de référence 2D laminaire est d'abord reproduit avec succès. Ensuite, une validation 3D est réalisée à partir d’une expérience d’une plaque flexible accrochée derrière un cylindre disposé dans un écoulement à haut Reynolds. Enfin, une expérience d’une pale flexible en oscillation dans un canal est reproduite. Malgré des améliorations possibles concernant le temps de calcul, cela confirme l’utilisation potentielle du solveur IFS pour l’usage souhaité.

Recent experimental studies tend to show that the use of chordwise flexibleblades for vertical axis turbines enhances their efficiencies and increases theirlifetime. Numerical simulation of such experiments would provide a betterunderstanding of the Fluid-Structure Interaction (FSI) phenomenon involved.However, this requires a FSI solver capable of accurately predicting the stalldynamics, while computing the deformation of a solid with complex geometry.Thereby, the goal of the thesis is to develop a solver capable of accuratelyreproducing cases of flexible foils at a high Reynolds number. The manuscriptthus presents the development of a solver using the Large-Eddy Simulations (LES)approach to predict fluid dynamics and 3D solid finite elements for soliddynamics, all on unstructured meshes. The development work has been carriedout within the YALES2 library, which was initially designed for fluid mechanics.Consequently, a Structural Mechanics Solver (SMS) has also been developed.Moreover, an original method based on the pseudo-solid approach has beenproposed for the computation of the fluid mesh movement. Fluid and solidsolvers are strongly coupled with a partitioned scheme, providing the opportunityto study dynamics between some fluid and solid of close densities. The FSI solverresulting from this work is therefore able to reproduce a wide variety of complexcases, and can also use a dynamic mesh adaptation method to take into accountlarge solid displacements. Following the review of the numerical methods, the FSIsolver can then be validated. To begin, a 2D numerical reference case withlaminar flow is successfully reproduced. After that, a 3D validation is performedagainst an experiment where a flexible plate is clamped behind a cylinderimmersed in a high Reynolds number flow. Finally, an experiment of a pitchingflexible blade in a channel is reproduced. Despite possible improvementsregarding computational time reduction, this process confirms the potential of theFSI solver for its intended use.