Modélisation Numérique de l'interaction fluide-structure et du ballottement des liquides dans les réservoirs de stockage

Modeling of fluid-structure interaction and liquid sloshing in storage tanks

• Auteur / Autrice : Lydia Khouf
• Direction : Sylvain Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 16/06/2022
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Université Abderrahmane Mira - Bejaïa (Bejaïa, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Djamel Sadaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Guillou, Élisabeth Longatte, Yves-Marie Scolan, Mohammed Khattaoui, Mustapha Benaouicha, Chouaib Labiod, Abdelghani Seghir
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Élisabeth Longatte, Yves-Marie Scolan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondelettes

Méthode VOF

Modèles mathématiques

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Ballottement de liquides

Réservoir flexible

Modélisation numérique

Ondelette de Gabor

Liquid sloshing

FSI coupling

Numerical modeling

Flexible tank

VOF method

Gabor wavelet

Résumé

Le phénomène du ballottement désigne les mouvements d’une surface libre d’un liquide à l’intérieur d’un réservoir partiellement rempli, soumis à une excitation externe. Les effets dynamiques de ce phénomène peuvent affecter fortement la tenue mécanique des parois du réservoir, qui à leur tour affectent le mouvement du liquide. Ceci induit un problème de couplage entre le liquide et le réservoir, dont la modélisation doit être basée sur une approche d’Interaction Fluide Structure (IFS). Dans cette thèse, nous abordons le problème du ballottement dans les réservoirs à parois déformables par une modélisation numérique en IFS. Un premier volet de cette thèse concerne la mise en place d’une modélisation simplifiée du problème, en utilisant la méthode des éléments finis avec un couplage monolithique et en appliquant la condition d’onde de surface linéarisée à la surface libre du liquide. Les matrices régissant le mouvement du liquide et celui des parois du réservoir ont été condensées afin de réduire le nombre de degrés de liberté du système couplé. Cette dernière opération a permis une réduction drastique du temps de calcul. Le deuxième volet de la thèse est consacré à la mise en place d’une modélisation numérique en prenant en compte les effets de l’IFS en volumes finis. Un couplage partitionné est utilisé et le problème d’évolution de la surface libre est traité par la méthode VOF(Volume Of Fluid). Le modèle, validé pour des cas du ballottement linéaire et non linéaire, a permis de démontrer que la flexibilité du réservoir a un impact notable sur l’amplitude et la fréquence des oscillations de la surface libre ainsi que sur le moment fléchissant des parois du réservoir. Le modèle est ensuite appliqué à l’étude du comportement d’un réservoir à paroi flexible partiellement rempli, soumis à une excitation complexe de type ondelette de Gabor. Celle-ci s’approche d’une excitation externe de type sismique.

The sloshing phenomenon consists in the free surface motion inside a partially filledtank subjected to external excitation. The dynamic effects of this phenomenon can strongly affectthe mechanical stability of the tank. This may results in structural collapse or liquid spillage into theexternal environment In the present thesis, we deal with the problem of sloshing in flexible tanks bynumerical modeling with an FSI (Fluid Structure Interaction) approach. The first part of this thesisconcerns the implementation of a simplified model of the problem by using the finite element me-thod with a monolithic coupling and by applying the linearized surface wave condition to the liquid.The coupled system has been condensed to reduce the number of degrees of freedom. This operationallowed a drastic reduction in the computing time. The second part of the thesis is devoted to theimplementation of a complete finite volume model with an FSI approach. Partitioned coupling is usedand the problem of the free surface evolution is handled by the VOF (Volume Of Fluid) method. The model, validated for linear and nonlinear sloshing cases, showed that the tank flexibility has a significant impact on the amplitude and the frequency of the free surface oscillations as well as on the bending moment of the tank walls. The model is then applied to the study of the behavior of a partially filled flexible tank subjected to a Gabor wavelet type excitation. The results highlighted the effect of the tank walls flexibility on the temporal and frequency responses of the liquid, as well as the tank walls displacements in the case of high and low frequencies.