Méthodes numériques de calculs couplés fluide/structure - Cas du fluide stagnant : introduction

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 multiphysique 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. L'objet du présent article est de proposer une introduction aux méthodes numériques générales accessibles à l'ingénieur pour la simulation de problèmes de couplage fluide/structure. La variété des situations physiques et des problèmes posés par le couplage fluide/structure est telle qu'il est difficile d'établir un classement général des méthodes numériques. On utilise cependant dans cet exposé une distinction entre deux grandes classes de problèmes couplés, selon que le fluide stagne ou s'écoule. Les méthodes numériques présentées et discutées dans cet exposé introductif correspondent à des techniques de calcul qu'il est possible de mettre en œuvre avec des outils de calcul généralistes. L'article ne prétend pas dans ce contexte à une quelconque exhaustivité, car on peut considérer qu'il existe autant de méthodes numériques que de situations physiques en couplage fluide/structure. La mise en œuvre d'un calcul numérique nécessite une bonne compréhension des mécanismes qui régissent la physique du problème étudié ; dans ce contexte, la lecture d'ouvrages généraux dédiés à la description et la compréhension des mécaniques fondamentaux du couplage fluide/structure constituent un préalable pertinent à la présentation de méthodes de calcul. Le présent article peut être vu dans son esprit comme un complément à l'article « Interaction fluide/structure vibrante » proposé par René-Jean Gibert dans les Techniques de l'Ingénieur [AF 5 250]. La présentation s'articule en deux points : dans la première section, on propose quelques rappels élémentaires sur la problématique du couplage fluide/structure ; on développe ensuite dans la deuxième section les principes des méthodes de couplage pour un fluide stagnant. Dans un second article à paraître seront abordés les principes des méthodes de couplage pour un fluide s'écoulant. On en profitera aussi pour replacer ces méthodes dans le contexte de leur utilisation industrielle.