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RÉSUMÉ
Modéliser et calculer les interactions fluide-structure (IFS) s’avère dans certaines situations un point important de la conception de nombreux systèmes industriels, en raison d’exigences de sûreté, de durée de vie ou de bruit de nombreuses installations. Cet article est à destination d’élèves ingénieur en génie mécanique et d’ingénieurs en calcul scientifique et simulation numérique. Il présente une introduction à la physique des IFS, à leur modélisation mathématiques et aux différentes techniques de calcul accessibles aux ingénieurs pour les représenter dans une simulation numérique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur - Expertise & communication scientifiques (eye-PI), - Tours, France
INTRODUCTION
L’Interaction Fluide-Structure (IFS) se rencontre dans de nombreuses situations dans différents secteurs industriels (construction aéronautique, automobile, navale, génie civil et nucléaire). La connaissance du chargement imposé par un fluide sur une structure à son contact est souvent déterminante pour concevoir une installation ou un produit, lui assurer des performances optimales et analyser ses risques d’exploitation.
Les techniques de simulations numériques actuelles offrent de modéliser l’interaction fluide-structure dans des configurations géométriques réelles et d’en représenter un grand nombre de manifestations. Développées depuis plusieurs décennies, ces techniques de calcul sont disponibles aux ingénieurs de l’industrie, dans des outils de simulation commerciaux généralistes comme dans les codes open-source.
Ce dossier propose une introduction à la modélisation mathématique et la simulation numérique des interactions fluide-structure et à une série d’articles consacrés à ce sujet dans la base documentaire Techniques de l’Ingénieur. Il s’adresse principalement à des étudiants en génie mécanique et, plus généralement, à des ingénieurs en calcul scientifique et à des concepteurs d’installations concernées par cette problématique.
Après avoir exposé différentes situations industrielles pour lesquelles l’IFS joue un rôle important, l’article aborde succinctement les principales modélisations du chargement fluide et de la réponse de la structure (représentation et analyse statiques, temporelles ou fréquentielles). Les stratégies de calcul les plus utilisées, qu’elles soient fondées sur des modèles empiriques ou analytiques, comme sur des simulations, sont ensuite passées en revue. L’article se conclut par une classification de ces méthodes et une présentation de certaines de leurs applications – chacune faisant l’objet d’un article spécifique de la base des Techniques de l’Ingénieur.
Le lecteur trouvera ces références dans la partie documentation associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.
En fin d’article, est proposé un glossaire des termes importants, ainsi qu’un tableau des sigles, notations et symboles utilisés tout au long de l’article.
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MOTS-CLÉS
simulation numérique dynamique des structures interaction fluide-structure dynamique des fluides
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Conclusion
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4. Domaine d’application émergeant de l’IFS
La modélisation des interactions fluide-structure est également au cœur de recherches et d'applications en biomécanique et bio-ingénierie. Avec les expériences in vivo, la simulation numérique offre de comprendre le vivant et l’IFS est presque partout présente dans les problèmes de biomécanique.
La simulation a deux objectifs principaux : le premier de contribuer à simuler le comportement mécanique d’organes (vaisseaux sanguins, cœur, œil, cerveau, etc.) (figure 23) ; le second de permettre le développement de matériel médical (prothèses, cathéter, valves cardiaques, etc.).
La modélisation du corps humain met en jeu de nombreuses situations d’écoulement en présence de matière déformable (sang dans le système vasculaire, air dans le système respiratoire, etc.) et les modélisations d’écoulement pour des applications biomédicales peuvent couvrir une large gamme de nombre de Reynolds : des plus faibles (comme pour la micro-fluidique) aux plus élevés (comme les écoulements sanguins.
Les difficultés que pose la modélisation du corps humain sont nombreuses :
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le comportement mécanique des tissus et organes humains est hétérogène, anisotrope – et dans la plupart des cas, il est nécessaire d’utiliser des lois de comportement « complexes » (l’écoulement de sang utilise un modèle de fluide non newtonien, les déformations du foie sont décrites par un modèle visco-élastique, par exemple) ;
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la géométrie du corps humain est très variable d’un patient à un autre et elle échappe à toute standardisation : il est nécessaire de développer des algorithmes capables de produire rapidement des modèles adaptés à chaque patient, en identifiant les différentes parties anatomiques (surface de la peau, os, graisse, muscles, etc.), par exemple en agglomérant les données d’imagerie (scanner, IRM) de la partie du corps concernée ;
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les conditions aux limites à appliquer sur un modèle biomécanique (efforts sur un tissus, un muscle, un tendon ; pression ou vitesse de l’air, du sang, etc.) ne sont pas facilement accessibles. Elles ont en outre une grande influence sur le résultat du calcul et l’un des enjeux majeurs des modèles est de représenter de manière la plus réaliste possible différents...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEROYER (A.) - Étude du couplage écoulement/mouvement pour des corps solides ou à déformation imposée par résolution des équations de Navier-Stokes. Contribution à la modélisation numérique de la cavitation. - Thèse de Doctorat, École Centrale de Nantes (2004).
-
(2) - AIT MOUDID (L.) - Couplage Fluide Structure pour la simulation numérique des écoulements fluides dans une conduite à parois rigides ou élastiques, en présence d’obstacles ou non. - Thèse de Doctorat, Université d’Artois (2008).
-
(3) - POMAREDE (M.) - Investigation et application des méthodes d’ordre réduit pour les calculs d’écoulements dans les faisceaux tubulaires d’échangeurs de chaleur. - Thèse de Doctorat, Université de La Rochelle (2012).
-
(4) - YVIN (C.) - Interaction fluide-structure pour des configurations multi-corps. Applications aux liaisons complexes, lois de commande d'actionneur et systèmes souples dans le domaine maritime. - Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes (2014).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Sophie MARTOS, « La médecine in silico se cherche un avenir européen », Le Quotidien du Médecin, 13 septembre 2018
Bérénice ROCFORT-GIOVANNI, « Votre jumeau numérique peut déjà être opéré. Et il prendra un jour des médicaments », L’Obs, 30 septembre 2018
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