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

Partitioned coupling for local scale fluid-structure interaction with moving grid for non-linear transients

• Auteur / Autrice : Antonin Leprevost
• Direction : Vincent Faucher
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/STMF - Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides
• 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-....)

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Interaction fluide-structure

Analyse numérique

Numerical analysis

Fluid mechanics

Fluid-structure interaction

Résumé

Le présent sujet de thèse est dédié à la conception et la mise en oeuvre d'une méthode de couplage fluide-structure avec grille fluide mobile (approche ALE ou Arbitrary Lagrange Euler) entre un solveur incompressible intégrant la modélisation adaptée de la turbulence et des modèles de structures non-linéaires, au niveau de leur comportement ou de leurs interactions (contact notamment). Le fluide considéré est par défaut un liquide, dont l'inertie justifie le recours à un couplage fort avec les structures. Un tel couplage implique des méthodes spécifiques à chaque physique couplée et s'envisage donc naturellement de manière partitionnée entre les applications dédiées, avec le recours à un algorithme de couplage temporel assurant la stabilité et la précision de la solution globale. On s'intéressera à ce titre classiquement à des méthodes de type « point fixe » paramétrées par le choix des quantités échangées par chaque programme en fonction de la physique gérée. Par exemple et sans restriction, le code fluide transmet couramment des forces alors que le code structure impose des vitesses, avec une boucle de convergence pour assurer l'équilibre entre les entités, en gérant possiblement également les échelles de temps multiples entre fluide et structure pour une meilleure efficacité de la résolution. Sur la base d'un couplage fonctionnel et efficace, un objectif applicatif majeur de la thèse est l'étude de transitoires pour des structures immergées sous séisme, avec ou sans écoulement forcé. Dans certaines situations d'intérêt, comme la réponse vibratoire d'un assemblage de combustible soumis à une sollicitation accidentelle, des modèles macroscopiques ont été développés (homogénéisation, milieux poreux), pour pallier la difficulté et le coût de la modélisation à l'échelle locale jusqu'alors. Ces modèles reposent inévitablement sur des heuristiques dont la portée est évaluée par comparaison à des expériences représentatives. Dans ce contexte, le sujet propose donc de mettre en oeuvre le couplage local manquant, sur des portions de modèles les plus étendues possibles en fonction de la performance de 'algorithme produit et des machines sur laquelle il est mis en oeuvre, afin d'étendre les résultats expérimentaux au-delà des seules mesures effectuées, d'améliorer la connaissance fine des mécanismes d'interaction fluide-structure et de contribuer à la calibration robuste et précise des modèles macroscopiques nécessaires pour les études d'ingénierie courantes. On s'intéressera à ce titre dans ce projet doctoral à deux phénomènes physiques à fort enjeu et encore mal connus au niveau des mécanismes locaux qui les pilotent : il s'agit d'une part de l'amortissement induit par le fluide en écoulement autour d'une structure sur ses caractéristiques vibratoires, et d'autre part de l'effet de la présence d'un fluide dense (stagnant ou sous écoulement) sur les forces d'impact entre deux structures immergées. Ce second objectif est particulièrement exigeant en termes de précision et de robustesse du solveur fluide et de l'algorithme couplé, en particulier pour gérer avec stabilité les déformations importantes de la grille fluide au voisinage des structures proches du contact.

The present thesis topic is dedicated to the design and implementation of a fluid-structure coupling method with a moving fluid grid (ALE or Arbitrary Lagrange Euler approach) between an incompressible solver integrating the adapted modeling of turbulence and non-linear structure models, in terms of their behavior or interactions (contact in particular). The fluid under consideration is by default a liquid, whose inertia justifies the use of strong coupling with structures. Such a coupling implies specific methods for each coupled physics and is therefore naturally considered in a partitioned way between dedicated applications, with the use of a time coupling algorithm ensuring the stability and accuracy of the overall solution. We will focus on 'fixed-point » methods that are parameterized by the choice of quantities exchanged by each program according to the physics in consideration. For example and without restriction, the fluid code routinely transmits forces while the structure code imposes velocities, with a convergence loop to ensure the balance between entities, possibly also managing multiple time scales between fluid and structure for better resolution efficiency. On the basis of a functional and efficient coupling, a major applicative goal of the thesis is the study of transients for structures immersed under earthquake, with or without forced flow. In some situations of interest, such as the vibratory response of a fuel assembly subjected to accidental stress, macroscopic models have been developed (homogenization, porous media), to overcome the difficulty and cost of modeling on a local scale. Until now, these models have inevitably been based on heuristics whose scope is evaluated by comparison with representative experiments. Consequently, the subject proposes to implement the missing local coupling, on the largest possible portions of models, depending on the performance of the algorithm produced and the machines on which it is implemented, in order to extend the experimental results beyond the measurements alone, to improve the detailed knowledge of the fluid-structure interaction mechanisms and to contribute to the robust and accurate calibration of macroscopic models required for routine engineering studies. This doctoral project will focus on two high-stake and still poorly understood physical phenomena at the level of the local mechanisms that control them: on the one hand, it is about the damping induced by the fluid flowing around a structure on its vibratory characteristics, and on the other hand, the effect of the presence of a dense fluid (stagnant or flowing) on the impact forces between two submerged structures. This second objective is particularly demanding in terms of accuracy and robustness of the fluid solver and the coupled algorithm, in particular to manage with stability the important distortions of the fluid grid in the proximity of the structures close to the contact.