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1 - CONTEXTE-ENJEU-OBJECTIFS DU PROJET

2 - MISE EN ŒUVRE DU PROJET – ACTIONS MENÉES

3 - BILAN ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : REX36 v1

Bilan et perspectives
Valider les outils de co-simulation des interactions fluide-structure pour le naval

Auteur(s) : Jean-François SIGRIST

Date de publication : 10 janv. 2023

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RÉSUMÉ

La montée en maturité d’une méthode de calcul scientifique est un enjeu d’innovation pour les éditeurs de codes de calcul et leurs utilisateurs industriels. Ce retour d’expérience présente l’exemple d’un projet de R&D contribuant à évaluer les techniques de co-simulation des interactions fluide-structure pour des applications à l’hydrodynamique des profils portants. Réalisé sur près d’une décennie en collaboration avec des laboratoires académiques, le projet a accompagné l’appropriation et la validation de ces méthodes (en particulier par confrontation à des résultats  d’essais) pour un usage industriel.

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ABSTRACT

Validation of co-simulation strategies for naval applications of fluid-structure interaction

The development of numerical techniques within engineering tools, such as finite element/finite volume-based codes and coupling strategies for simulation fluid-structure interactions, is of significant importance for many industrial compagnies which are using simulation for innovation purposes or for the demonstration of reliability and security of various critical systems. In the present article a R&D project, jointly carried out by an industrial user, academic laboratories with the support of a code editor, is discussed, highlighting the validation and application of “co-simulation” techniques for applications in the naval sector.

Auteur(s)

  • Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France

INTRODUCTION

Rendre compte des interactions mécaniques entre l’écoulement d’un fluide et les déformations d’une structure pour des systèmes couplés s’avère crucial pour mieux dimensionner certaines pièces ou composants (comme dans le secteur des énergies renouvelables ou du naval). Les techniques de « co-simulation », visant à tirer parti des fonctionnalités offertes par des outils numériques dédiés à la dynamique des fluides et des structures et à coupler ces outils, sont l’une des innovations proposées par les éditeurs de codes de calcul pour permettre aux ingénieurs de simuler divers problèmes d’interaction fluide-structure.

Fruits de recherches académiques, qui ont proposé des algorithmes de couplage efficaces, aux propriétés numériques (précision, stabilité, etc.) démontrées, et de développements industriels, qui ont accompagné la mise en œuvre de ces algorithmes dans des outils d’ingénieur, ces techniques de « co-simulation », d’un usage complexe, restent encore peu exploitées par les ingénieurs.

On propose un retour d’expérience sur un projet de R&D visant à évaluer, valider et diffuser ces techniques dans l’industrie navale. Conduit dans le cadre d’une collaboration avec des partenaires académiques, s’appuyant sur des résultats d’essais et recevant le soutien d’éditeurs de solutions numériques, le projet a permis de mettre en évidence les opportunités offertes par ces techniques de calcul et d’en identifier les limites d’utilisation pour des applications à l’hydrodynamique de profils portants déformables.

Points clés

Domaines : innovation, recherche collaborative

Entreprises concernées : constructeurs (industrie navale, énergies marines), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (conception de systèmes de propulsion, de récupération d’énergie)

Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis, volumes finis

Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie navale et maritime, énergies marines renouvelables

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KEYWORDS

numerical simulation   |   fluid-structure interaction   |   hydrodynamics   |   CSD-CFD coupling

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-rex36


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3. Bilan et perspectives

3.1 Points positifs

Le projet a permis d’obtenir des résultats utiles aux équipes académiques et industrielles.

  • La production de données d’essais, éclairant la compréhension de phénomènes physiques complexes en hydrodynamique : transition de turbulence sur un profil portant, apparition de cavitation, estimation de déformations, évaluation des efforts hydrodynamiques sur le profil, exploités à des fins de dimensionnement ;

  • La construction pas à pas d’une méthodologie de calcul, sa déclinaison et son adaptation en bureau d’études, en particulier avec le concours d’ingénieurs et experts de Sirehna, filiale de DCNS (Naval Group), spécialisée dans l’hydrodynamique (voir section précédente). Des calculs par co-simulation sont ainsi rendus possibles et accessibles aux ingénieurs « experts » en calcul scientifique pour des applications à des géométries « réelles » de profils portants en composite (figure 12).

  • L’évaluation des difficultés de mise en œuvre des outils de co-simulation (par exemple avec un retour d’expérience sur les temps de calcul, figure 13) et la production d’un guide méthodologique, utilisable par des ingénieurs de bureaux d’études.

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3.2 Points négatifs

Si le projet a démontré la faisabilité industrielle de co-simulations pour l’hydrodynamique et accompagné l’appropriation de ces techniques par des ingénieurs experts, il n’a pas contribué à la diffusion plus profonde de ces méthodes et à leur application par des ingénieurs spécialisés en calcul scientifique et en conception. Les outils de simulation restent en effet complexes à opérer et le projet n’a apporté qu’une validation « partielle » des modèles – cette limite étant inhérente à la complexité physique de la turbulence et de la cavitation – et du couplage fluide-structure. La mise en œuvre industrielle des co-simulations reste donc à ce jour limitée à des situations particulières, qui demandent des calculs plus précis.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BENAOUICHA (M.) -   Contribution au développement d’algorithmes de couplage en interaction fluide-structure.  -  Thèse de doctorat, université de La Rochelle (2007).

  • (2) - DESBONNETS (Q.) -   Stabilité de systèmes mécaniques en vibration sous écoulement.  -  MATMECA/université de Bordeaux (2009).

  • (3) - DUCOIN (A.) -   Étude de l’influence du couplage fluide/structure sur les performances hydrodynamiques d’une surface portante.  -  Thèse de master, École Centrale de Nantes (2005).

  • (4) - DUCOIN (A.) -   Étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure.  -  Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes (2008).

  • (5) - DUCOIN (A.) -   Contributions à l’étude hydro-élastique des pales flexibles sous chargements instationnaires.  -  Habilitation à diriger les recherches, École Centrale...

1 Annuaire

Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

ABAQUS – https://www.3ds.com/fr/produits-et-services/simulia/produits/abaqus/

CASTEM – http://www-cast3m.cea.fr

Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)

Collège de Polytechnique – http://www.collegepolytechnique.com

Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Association française de mécanique (AFM) – http://www.afm.asso.fr

American Society of Mechanical Engineers (ASME) – http://www.asme.org

Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

Naval Group Research

Centre d’Expertise des Structures et Matériaux Navals

5, rue de l’Halbrane

44340 BOUGUENAIS

https://www.naval-group.com/fr

École Centrale de Nantes

1, rue de la Noë

BP 92101

44321 NANTES

https://www.ec-nantes.fr

École Navale

29160 LANVEOC

https://www.ecole-navale.fr/

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2 Journaux scientifiques

Computers & Fluids

https://www.sciencedirect.com/journal/computers-and-fluids/...

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