Couplage partitionné fluide-structure à l'échelle locale avec grille mobile pour des transitoires non-linéaires

Partitioned fluide-structure coupling at local scale with moving grid for non-linear transients

• Auteur / Autrice : Antonin Leprevost
• Direction : Vincent Faucher, Maria Adela Puscas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 23/04/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de thermo-hydraulique et de mécanique des fluides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Benoit Prabel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Monasse, Bertrand Langrand, Julien Favier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Monasse, Bertrand Langrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Analyse numérique

Interaction fluide-structure

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Interaction fluide-Structure

Arbitrary Lagrange-Euler

Couplage partitionné

Fluid-Structure interaction

Arbitrary Lagrange-Euler

Partioned coupling

Résumé

L'interaction fluide-structure est un domaine visant à comprendre les mécanismes d'interaction entre un fluide en mouvement ou au repos et les déplacements d'une structure flexible ou rigide. De tels phénomènes sont observés dans de nombreux domaines tels que la biomécanique avec l'écoulement sanguin ou dans le nucléaire lors de l'étude de la réponse vibratoire d'un assemblage de combustible soumis à une sollicitation accidentelle, par exemple lors d'un séisme. Dans ce dernier exemple, on s'intéresse à l'interaction entre l'écoulement d'un fluide incompressible et la dynamique non-linéaire d'une structure élancée. Pour caractériser finement les couplages, compléter les expériences existantes et valider les modèles construits à l'échelle d'un assemblage et cœur de réacteur, des simulations à l'échelle locale sont nécessaires. La thèse propose ainsi de mettre en œuvre un couplage partitionné à l'échelle locale entre deux solveurs spécifiques. Le premier solveur pour l'écoulement incompressible instationnaire, est le code TrioCFD du CEA. Le second solveur pour la dynamique non-linéaire des structures, est le code Europlexus, développé dans le cadre d'un consortium impliquant le CEA. Dans la première partie de la thèse, nous avons proposé un nouvel algorithme pour améliorer l'efficacité de la résolution du problème de grille mobile dans le solveur fluide. La seconde partie s'est concentrée sur la mise en œuvre d'algorithmes de couplage entre les deux solveurs, dans le but de renforcer la robustesse et la performance de la résolution. Enfin, la validation numérique a été abordée en comparant les résultats obtenus par le couplage entre TrioCFD et Europlexus avec des références.

Fluid-structure interaction is a field whose aim is to understand the interaction mechanism between a fluid either stationary or in movement and the movements of a flexible or rigid structure. Such phenomena are observed in various fields: in biomechanics with blood flow, or in nuclear science when examining the vibrational response of a fuel assembly subjected to accidental loading, for example, during an earthquake. In the last example, the focus is on the interaction between the flow of an incompressible fluid and the nonlinear dynamics of an elongated structure. To finely characterize the couplings, supplement existing experiments, and validate the models developed for an assembly and reactor core simulations at the local scale are essential. This thesis proposes to implement a partitioned coupling between two specific solvers at the local scale. The first solver, used for non-stationary incompressible flow, is the TrioCFD solver from the CEA. The second solver, used for the nonlinear dynamics of structures, is the Europlexus code, developed within the framework of a consortium involving the CEA. The first part of the thesis proposes a new algorithm to enhance the efficiency of solving the moving grid problem within the fluid solver. The second part is focused on the implementation of various coupling algorithms between the two solvers with the aim of strengthening the robustness and performance of the resolution. The stability of these algorithms was specifically investigated. Finally, numerical validation was addressed through the comparison of results obtained in the coupling of TrioCFD and Europlexus with literature.