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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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Modélisation du chargement fluide
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1. Interaction fluide-structure
Les phénomènes liés au couplage mécanique fluide-structure apparaissent, à des degrés divers d'importance, pour toute structure en contact avec un fluide. Ce type de couplage multi-physique se rencontre dans de nombreuses situations industrielles et l’influence qu’il peut avoir sur le comportement dynamique de systèmes mécaniques est souvent significative.
La prise en compte des effets de couplage fluide-structure devient alors un enjeu de première importance dans le dimensionnement de structures, en particulier en raison d’exigences de sécurité associées à leur conception. Le développement continu de techniques de calcul numérique, et l’augmentation constante des capacités de calcul des machines, rendent possible la mise en œuvre de simulations numériques complexes, faisant intervenir des couplages divers.
Le couplage mécanique entre les deux milieux s’opère dans les deux sens au niveau de leur surface de contact : les vibrations de la structure, sous l’effet des efforts imposés par l’écoulement du fluide, modifient la configuration de l’interface fluide/structure ; les conditions d’écoulement du fluide en sont ainsi affectées, ce qui se traduit par la suite par une modification de l’effort exercé sur la structure au niveau de l’interface, bouclant ainsi le cycle de l’interaction (figure 1).
L’enjeu d’une simulation numérique sera ainsi de reproduire les mécanismes d’échanges d’énergie entre le fluide et la structure, de la façon la plus consistante possible au regard des phénomènes physiques mis en jeu. Le développement de méthodes numériques permettant des simulations couplées fluide-structure a fait l’objet de nombreuses recherches au cours des décennies passées ; ces méthodes sont accessibles à l’ingénieur et lui permettent la compréhension et la prédiction du comportement dynamique de structures couplées avec un fluide.
1.1 Quelques problématiques industrielles
L’interaction fluide-structure se rencontre sous diverses formes dans de nombreuses situations ; la figure 2 en montre quatre liées à des écoulements de fluides légers, comme les gaz.
Ponts, cheminées, câbles, sous-marins, navires à passager ou de transport de marchandises, avions, automobiles, trains, tuyauteries et réseaux fluidiques…, représenter...
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Interaction fluide-structure
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).
-
...
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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