Étude numérique et expérimentale des structures flexibles au sein d'écoulements turbulents

Numerical and experimental study of flexible structures in turbulent flows

• Auteur / Autrice : Thomas Larrieu
• Direction : Gérard Pineau, Laurent David, Damien Calluaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 07/06/2022
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Énergétique (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Balarac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaële Perret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ramiro Godoy Diana, Ludovic Cassan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Simulation des grandes échelles

Perte de charge

Interaction fluide-structure

Hydrodynamique

Mots clés libres

Interaction fluide-Structure

Structure flexible

Les

Vof

Piv

Pertes de charge

Passe à poissons à fentes verticales

Coefficient de débit

Topologies d'écoulement

Hydrodynamique

Fluid-Structure interaction

Flexible structure

Les

Vof

Piv

Head losses

Vertical slots fishway

Discharge coefficient

Flow topology

Hydrodynamics

Résumé

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.

Fluid-structure interactions (FSI) are nowadays highly studied phenomena because they are involved in a large number of applications. In the maritime and fluvial domains, energy recovery devices, shoreline protection systems or flood control systems are based on these FSI with artificial or natural structures. The work presented in this manuscript aims to evaluate the consequences of the presence of flexible structures on turbulent flow in different configurations. The flexible elements used are circular cylinders whose mechanical characteristics are inspired by the properties of aquatic plant structures. When these structures are placed in a flow, they undergo large deformations whose observable phenomena are characterized by the Fluid-Structure Interaction for which the major parameter is the Cauchy number. Three main studies compose this work, with first the fundamental case of an isolated structure in a flow, second the study of head losses caused by a bundle of structures and finally an application on a hydraulic device of a flexible structure canopy on the apron of a vertical slots fishway. Each of these studies was conducted experimentally and led to the creation of a numerical model on the one hand and on the other hand to the study of a 1D model based on the phenomena involved. The experiments carried out required the implementation of measurements of water heights by acoustic probes, of local three-dimensional velocities with ADV probe (Acoustic Doppler Velocimetry), of 2D velocity with two components by PIV method (Particle Image Velocimetry) and measurements of deformations of flexible structures by shadowgraphy. The 3D unsteady LES free surface numerical simulations with FSI by two ways coupling have been performed and validated from the experimental results. These simulation results complemented the experimental observations by providing additional information on the flow quantities and behaviours of the flexible structures. In general, for a flexible structure isolated in the flow, its dynamic behaviour (longitudinal and transverse displacements) and the flow velocities in its wake depend on the characteristics of the flow regimes and the stiffness of the structure. In particular, the frequencies of the vortex release in the wake of the structure have been studied. When these structures are implemented in bundles of different densities, their bending capacity reduces the flow resistance and thus the head losses compared to rigid structures. In the case where a canopy of flexible structures is implanted on the apron of a fishway, then the flow is modified with a reduction of velocities and turbulent kinetic energy in the canopy and an increase of the velocity above. The hydraulic behaviour is modified with a decrease in flow coefficients and very unsteady topologies in the pools.