Modelisation of the interaction between a free surface fluid and a rigid solid subjected to external forces by a penalty method.

Modélisation de l'interaction entre un fluide à surface libre et un solide rigide soumis à des efforts extérieurs par une méthode de pénalisation.

Benoît Ducassou (1)

1 SIAME - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique

This works presents the interaction between a free surface fluid and a rigid solid subjected to external stiffness and damping forces. The central point of this study is to solve simultaneously the equilibrium between the fluid flow and the movement of the solid. The choice was made to work with a VOF Navier-Stokes code and to use a penalty method by dynamic viscosity to simulate the presence of a rigid solid in the calculation domain. We have worked on the control of the non-deformation of the penalized fluid zone, on the stress of the movement of the fluid zone penalized with kinematical conditions, and also on the imposition of external damping and stiffness efforts via the acceleration term. After validating all the evolutions brought to the method, we realized the numerical study of two technological applications. The first one is the study of the active damping of a fluid inside a tank. In the second case we studied the performance of wave-energy based energy production system. These two cases showed the viability of the method to solve real practical cases.

Le travail qui a été effectué lors de cette thèse porte sur l’interaction entre un fluide à surface libre est un solide rigide soumis à des efforts extérieurs de raideur et d’amortissement. Lorsque l’on étudie cette interaction, l’enjeu est de résoudre simultanément et au mieux l’équilibre entre l’écoulement du fluide et le mouvement du solide. Le choix a été fait de travailler avec un code VOF Navier-Stokes, et de mettre en place une méthode de pénalisation par la viscosité dynamique afin de simuler la présence d’un solide rigide dans le domaine de calcul. Nous avons travaillé sur le contrôle de la non déformation de la zone fluide pénalisée, sur la contrainte du mouvement de la zone fluide pénalisée à l’aide de conditions cinématiques ainsi que sur l'imposition d’efforts extérieurs de type raideur et amortissement via le terme d'accélération. Après avoir validé l’ensemble des évolutions apportées à la méthode nous avons réalisé l’étude numérique de deux applications technologiques. La première est l’étude d’un système d’amortissement actif du ballottement d’un fluide contenu dans une cuve. Dans la seconde nous nous sommes intéressés au rendement d’un système houlomoteur de type volet oscillant en tangage autour d’un axe fixe. Ces deux applications ont montré la viabilité de la méthode pour traiter des cas pratiques réels.

Mots clés: Computational methods; Flow-structure interactions; Wave-structure interactions; Laboratory studies; Flow control; Hydraulics of renewable energy systems

Mots clés: Méthodes numériques; Interactions fluide-structure; Interactions vague-structure; Etudes expérimentales; Contrôle de l’écoulement d’un fluide; Système houlomoteur

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Benoît Ducassou. Modélisation de l'interaction entre un fluide à surface libre et un solide rigide soumis à des efforts extérieurs par une méthode de pénalisation.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Pau et des Pays de l'Adour - Laboratoire SIAME, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02375572⟩