Modélisation des systèmes vibratoires couplés avec interaction fluide-structure

Modeling of coupled vibration systems with fluid-structure interaction

• Auteur / Autrice : Runze Zhang
• Direction : Mohamed Sellam, Amer Chpoun
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021; Soutenance le 25/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMEE - Laboratoire de mécanique et d'énergétique d'Evry
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry Val d'Essonne
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Contrôle des vibrations

Bandes interdites de vibrations

Piézoélectrique

Récolte d'énergie

Générateur de vortex

Fluid–structure interaction

Vibration control

Vibration bandgap

Piezoelectric

Energy harvesting

Vortex generator

Résumé

Les développements récents et les progrès de la technologie de l'énergie éolienne ont conduit à une croissance constante de la capacité et de la taille des éoliennes modernes, et l'utilisation d'une éolienne mégawatts est devenue l'un des moyens efficaces de réduire les coûts et d'améliorer la compétitivité. Cette tendance devrait se poursuivre à l'avenir, en particulier dans les applications offshore (Ciang et al., 2008). Néanmoins, la question de la limitation de poids est devenue un grand défi pour l'agrandissement des éoliennes et a obligé les ingénieurs à concevoir des structures plus légères qui répondent aux exigences de résistance. Ces contraintes ont conduit à concevoir des structures d'éoliennes plus flexibles et, en particulier, des pales, conçues pour un chargement dynamique. Cette plus grande flexibilité structurelle pourrait entraîner de grandes déformations sous la charge aérodynamique, même dans des conditions de fonctionnement nominales (Rezaei et al., 2015; Rezaei et al., 2017). De plus, les instabilités aéroélastiques affectent fortement la durée de vie opérationnelle des éoliennes (Hansen et al., 2006). Par conséquent, des analyses de couplage aérodynamique-structure sont nécessaires pour prédire l'interaction complexe des charges aérodynamiques instationnaires et les déformations élastiques des pales. Le but de cette étude est d'apporter un éclairage sur le mécanisme de l'interaction destructrice vent-structure et de fournir une prédiction efficace de la force aérodynamique instationnaire critique. Cela permettra aussi de fournir des données pour l'analyse de la rupture par fatigue. Cela contribuera à la conception et l'optimisation des structures plus flexibles pour les pales d'éoliennes de type « mégawatt ». Ce processus implique l'usage d'une densité de maillages qui alourdit le temps de calcul. Par conséquent l'approche « multigrille » sera utilisée pour améliorer la vitesse de convergence et réduire le temps de calcul. Plusieurs études approfondies ont été menées pour étudier ce problème. La plupart des modèles aéroélastiques récents sont basés sur des modèles aérodynamiques simplifiés utilisant la théorie « Blade-Element Momentum » (BEM) (Riziotis et al., 2008; Jeong et al., 2011). Les méthodes basées sur la théorie « BEM » sont efficaces en termes de convergence de calcul et fournissent des estimations raisonnables du comportement aéroélastique des pales flexibles (Sayed et El-Badawy, 2011), mais certains phénomènes aérodynamiques n'ont pas pu être capturés avec précision. Principalement, la théorie BEM est basée sur l'équilibre du moment unidimensionnel. Elle néglige les effets tridimensionnels. Par conséquent, plusieurs corrections sont nécessaires pour tenir compte de tous les effets aérodynamiques complexes 3D et instationnaires (Madsen et al., 2012). À mesure que le diamètre du rotor de l'éolienne augmente, incluant des géométries plus complexes telles que le pré-cône, l'inclinaison du rotor et les pales pré-courbées, les conditions de symétriques de l'écoulement ne peuvent plus être supposées à l'entrée du domaine. Par conséquent, des simulations basées sur la théorie « BEM » avec un modèle d'écoulement incident symétrique deviennent insatisfaisantes (Yu et Kwon, 2014). Globalement, tous les effets aérodynamiques visqueux, 3D et instationnaires sont capturés par les calculs (CFD). Néanmoins, les modèles CFD de de haute précision sont beaucoup plus chers que les méthodes BEM traditionnelles, mais ils peuvent résoudre le champ d'écoulement instationnaire et complexe autour de l'éolienne, y compris dans le cas des géométries complexes. Afin de surmonter les limitations traditionnelles des modèles BEM et d'améliorer la précision de la prédiction aérodynamique, les méthodes couplées CFD-CSD « Computational Structural Dynamics » ont été fréquemment utilisées. Jusqu'à présent, dans la technologie des éoliennes, les études d'aéroélasticité de haute précision ont suscité peu d'attention, ce n'est que récemment qu'elles ont été mises au point en raison de l'augmentation du rayon du rotor. De nombreuses études 3D CFD-CSD récentes ont été réalisées sur le rotor 5 MW du National Renewable Energy Laboratory (NREL) (Yu et Kwon, 2014; Bazilevs et al., 2011; Hsu et Bazilevs, 2012). Yu et Kwon (2014) ont étudié la réponse aéroélastique en utilisant une méthode CFD – CSD faiblement couplée résolvant les équations incompressibles de Navier – Stokes sur un maillage non structuré pour les forces aérodynamiques pour la pale, et une poutre non linéaire Euler – Bernoulli pour les déformations. L'interaction entre le fluide et le modèle de structure a été réalisée à chaque révolution du rotor 1. Premièrement, le projet va développer un solveur d'interaction fluide-structure (FSI) partitionnée avec des applications aux problèmes aéro-élastiques, en particulier les dispositifs d'énergie renouvelable. Le solveur implique de nombreux modules différents, par exemple, un solveur d'écoulement, un solveur structurel, un solveur de déformation de maillage, un assembleur de grille en excès et des interfaces entre fluide et solide. La dynamique des fluides est résolue en résolvant les équations instationnaires de Navier-Stokes incompressibles ou compressibles avec différents modèles de turbulence. Dans la partie structurelle, deux solveurs différents sont disponibles, à savoir, la méthode d'analyse modale et Euler-Bernoulli non linéaire Les deux solveurs de structure sont couplés au solveur fluide dans un environnement partagé. La méthode « Implicit Hole cutting (IHC) sera utilisée dans l'assembleur du maillage chevauché, qui est plus facile à mettre en œuvre et a plus d'efficacité. On s'attend également à ce que la technique de de chevauchement des maillages réduise l'effort et la complexité lors de la génération de maillages. Deux options sont proposées pour transférer des données entre le domaine fluide et le domaine solide, qui sont la méthode des éléments de frontière inverse (BEM) et la méthode du tétraèdre à volume constant (CVT). 2. Deuxièmement, le projet utilisera des méthodes multigrilles pour accélérer la vitesse de résolution du solveur ci-dessus sans perdre la stabilité numérique et la précision. Le problème de l'interaction entre les éoliennes et le vent nécessite un grand nombre de mailles atteignant parfois plusieurs centaines de millions, ce qui coûterait des ressources informatiques élevées et de longues périodes de calcul. Tout en utilisant le multigrille, nous pourrions accélérer la convergence de la méthode itérative de base (connue sous le nom de relaxation, qui réduit généralement l'erreur de courte longueur d'onde) par une correction globale de l'approximation de la solution de grille fine, de temps en temps. Nous sommes en mesure d'appliquer des méthodes multigrilles en combinaison avec l'une des techniques de discrétisation courantes car les méthodes multigrilles ne dépendent pas de la séparabilité des équations ou d'autres propriétés spéciales de l'équation. 3. Enfin et surtout, le projet utilisera les charges aérodynamiques stochastiques calculées à partir du solveur ci-dessus pour rechercher l'analyse de rupture par fatigue des pales d'éoliennes de type « mégawatts » en plastique renforcé de fibres de verre, une sorte de matériau composite. Pendant toute la durée de vie des pales, elles sont constamment soumises aux alternances de charges dynamiques, telles que le freinage, la variation de vitesse de rotation et le vent turbulent. La force d'inertie aérodynamique et la force élastique sur les pales provoquent la vibration couplée des pales et du mât, ce qui complique encore la situation de mouvement. Le processus commencera par étudier les caractéristiques de la charge du vent par analyse statistique tandis que le « rainflow-counting algorithm » est utilisé dans l'analyse des données de fatigue afin de réduire le spectre des contraintes variables en un ensemble équivalent de contraintes par simple inversion. Combinée à la courbe de fatigue du matériau composite en plastique renforcé de la pale, l'influence du lacet de cisaillement du vent et d'autres facteurs sur la durée de vie de la pale pendant le fonctionnement sera analysée. C'est ainsi qu'on pourra obtenir une estimation de la durée de vie en fatigue de la pale par le critère de « Miner ».

The recent developments and advancements in wind energy technology have led to a steady growth in the capacity and size of modern wind turbines, and using megawatt wind turbine has become one of the efficient way to cut the cost and enhance competitiveness. This trend is expected to continue in the future, especially in offshore applications (Ciang et al., 2008). Nevertheless, the weight limitation issue has become a great challenge to the enlargement of wind turbines and has forced the engineers to design lighter structures that meet the mandatory strength requirements. These constraints have led to the design of more flexible wind turbine structures and, especially, turbine blades, which are designed for dynamic loading. This greater structural flexibility could result in large deformations under aerodynamic loading, even under nominal operating conditions (Rezaei et al., 2015; Rezaei et al., 2017). Moreover, the aeroelastic instabilities strongly affect the operational life of the turbines (Hansen et al., 2006). Hence, aerodynamic– structure coupling analyses are required to predict the complex interaction of the unsteady aerodynamic loads and the elastic deformations of the blades. The purpose of this study is to give further explanation for the mechanism of destructive wind-structure interaction and to provide effective prediction of the unsteady aerodynamic force for the potential of fatigue failure analysis or structure optimization design of flexible structures like megawatt wind turbine blades. At the same time, this process always involves a mass of meshes which will reduce computational efficiency, so the multigrid method will be applied to improve convergence speed and reduce calculation amount. Up to now, comprehensive studies have been performed to investigate this issue. Recently, most aeroelastic models are based on simplified aerodynamic models using the Blade-Element Momentum (BEM) theory (Riziotis et al., 2008; Jeong et al., 2011). The BEM-based methods are computationally efficient and provide reasonable estimations of the aeroelastic behavior of flexible blades (Sayed and El-Badawy, 2011), but some aerodynamic phenomena could not be captured accurately. Mainly, the BEM theory is based on the one-dimensional momentum equilibrium. It neglects any three-dimensional effects. Therefore, several corrections are needed in order to account for all complex unsteady and 3D aerodynamic effects (Madsen et al., 2012). As the wind turbine rotor diameter increases, including more complex geometries such as pre-cone, rotor tilt, and pre-bended blades, symmetric inflow conditions cannot be assumed anymore. Therefore, it becomes inaccurate simulating it with the dynamic inflow model of the BEM based simulations (Yu and Kwon, 2014). In principle, all occurring viscous, 3D and unsteady aerodynamic effects are captured with Computational Fluid Dynamics (CFD). Nevertheless, high-fidelity CFD-based models are much more expensive compared to the traditional BEM methods, but they can resolve the unsteady and complex flow field around the wind turbine including all complex geometries. In order to overcome the traditional BEM limitations and improve the aerodynamic prediction accuracy, coupled CFD–Computational Structural Dynamics (CSD) methods have been frequently used. Up to now, in the wind energy, high-fidelity aeroelastic investigations have been found little attention, only recently they have come into the focus due to increasing rotor radius. Many of the recent 3D CFD–CSD investigations have been performed on the National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5MW rotor (Yu and Kwon, 2014; Bazilevs et al., 2011; Hsu and Bazilevs, 2012). Yu and Kwon (2014) investigated the aeroelastic response using a loosely coupled CFD–CSD method solving the incompressible Navier–Stokes equations on an unstructured grid for the blade forces and non-linear Euler–Bernoulli beam for the deformations. The interaction between the fluid and the structure model was carried out over every rotor revolution. Bazilevs et al. (2011) and Hsu and Bazilevs (2012) utilized a Fluid–Structure Interaction (FSI) between a low order Arbitrary Lagrangian–Eulerian Variational Multi-Scale (ALE-VMS) flow solver and a Non-Uniform Rational Basis Spline (NURBS) based structural solver. 1. Firstly, the project is going to develop an overset-based partitioned Fluid-Structure Interaction (FSI) solver with applications to aero-elastic problems especially renewable energy devices. The solver involves many different modules, e.g., flow solver, structural solver, mesh deformation solver, overset grid assembler and interfaces between fluid and solid. The fluid dynamics is resolved by solving the incompressible or compressible unsteady Navier-Stokes equations with different turbulent models. In structural part, two different solvers are available, namely, modal analysis method and non-linear Euler-Bernoulli beam model. Both structural solvers are coupled with the flow solver in a partitioned framework. The Implicit Hole Cutting (IHC) method will be used in overset grid assembler, which is easier to implement and has more efficiency. The overset grid technique is also expected to alleviate the effort and complexity when generating meshes. Two options are provided to transfer data between fluid domain and solid domain, which are the inverse Boundary Element Method (BEM) and the Constant Volume Tetrahedron (CVT) method. 2. Secondly the project will use multigrid methods to accelerate the solving speed of the solver above without losing numerical stability and accuracy. The problem of interaction between wind turbines and wind requires a large number of meshes sometimes reaching above multi hundred million, so that would cost high computer resources and long computing hours. While using multigrid we could accelerate the convergence of a basic iterative method (known as relaxation, which generally reduces short-wavelength error) by a global correction of the fine grid solution approximation from time to time. We are able to apply multigrid methods in combination with any of the common discretization techniques as multigrid methods do not depend on the separability of the equations or other special properties of the equation. 3. Last but not least, the project will utilize the stochastic aerodynamic loads calculating from the solver above to research the fatigue failure analysis of megawatt wind turbine blades made of glass fiber reinforced plastics which is a kind of composite material. During the whole service life of the blades, they are constantly subjected to the alternations of dynamic loads, such as braking, rotational speed varying and turbulent wind. The aerodynamic inertia force and elastic force on the blades will cause the coupled vibration of the blades and the tower, which will make the motion situation more complicated. The process will start by studying the characteristics of wind load by statistical analysis while the rainflow-counting algorithm is used in the analysis of fatigue data in order to reduce a spectrum of varying stress into an equivalent set of simple stress reversals. Combined with the fatigue performance curve of the blade reinforced plastic composite material, the influence of wind shear yaw and other factors on the blade life during the operation will be analyzed, and the fatigue life of a specific blade is going to be predicted and analyzed by Miner criterion