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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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The numerical modelling of fluid-structure interactions is of paramount importance in some industrial applications since the fluid loading on a structure is accountable in safety, lifte time, and nose generation issues. The present paper aims at providing students and practicing engineers with the fundamentals notions and numerical techniques available to simulate the structural response to fluid loading excitations. The underlying principles of various methods, ranging from analytical to numerical models based on partially ot fully coupled procedures are exposed.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
numerical simulation | structural dynamics | fluid-structure interaction | fluid dynamics
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Domaine d’application émergeant de l’IFS
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3. Simulation numérique
3.1 Méthodes analytiques ou semi-analytiques
Certaines équations décrivant les IFS pour des systèmes mécaniques de géométrie et comportement « simples » se prêtent à une résolution analytique. Bien que rare, cette situation permet de produire des simulations rapides générant des données utiles aux ingénieurs pour des études paramétriques ou de pré-dimensionnement, lorsque les géométries ne sont pas figées.
La simulation de l’effet d’une onde de pression sur une coque cylindrique peut s’accomplir au moyen d’une méthode semi-analytique. Les équations dynamiques, décrivant la propagation de l’onde, l’interaction avec la coque, ou la déformation de cette dernière, etc., sont résolues, pour partie, explicitement à l’aide d’un outil de calcul simple à mettre en œuvre (figure 11). Le cas étudié représente de façon simplifiée des situations d’intérêts, par exemple pour analyser la sécurité d’installations en mer.
3.2 Méthodes numériques
Dans la plupart des situations rencontrées par les ingénieurs, une simulation numérique des IFS s’avère nécessaire. Celle-ci peut se réaliser avec différentes approches, selon les situations concernées.
-
Un chaînage de codes fluide et structure s’avère pertinent lorsque la physique des interactions est peu ou faiblement couplée. Par exemple, le calcul du chargement induit par le fluide sur une structure et celui de la réponse vibratoire de cette dernière sont en faible interaction dans le cas de l’excitation de couche limite turbulente (figure 12). Cela justifie une approche par chaînage de codes, en utilisant par exemple un code de dynamique des fluides (ou de couche limite turbulente) pour calculer le spectre d’excitation fluidique et un code de dynamique des structures pour la réponse vibratoire de celle-ci. Dans le cas où la vibration de la structure est fortement influencée par la présence du fluide en raison de sa grande densité, comme cela est le cas en hydro-acoustique, le calcul de la réponse...
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Simulation numérique
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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