Fluid-structure interaction for multi-body systems. Applications to complex joints, control laws of actuators and flexible systems in the maritime field.
Interaction fluide-structure pour des configurations multi-corps. Applications aux liaisons complexes, lois de commande d'actionneur et systèmes souples dans le domaine maritime.
Résumé
The aim of this work is to develop a coupling between two solvers
in order to study complex mechanical systems which are in strong
interaction with a fluid. The co-simulation provides the ability to
carefully model without significant approximations the fluid physics,
the dynamics of the mechanical systems and their coupling. The
Reynolds-averaged Navier-Stokes equations for incompressible,
isothermal, turbulent and multiphase flows are solved by ISIS-CFD.
The mechanical problem is solved by MBDyn which is an open-
source solver dedicated to dynamic multi-body systems. A general
and formal formulation of the coupling problem is realised using the
Steklov-Poincaré formulation. An implicit, efficient and stable
coupling algorithm is proposed, tested and validated. The algorithm
stabilisation is achieved through a relaxation operator which
depends on the added mass effects. Thus, a method to evaluate
the added mass effects is implemented in ISIS-CFD. Due to the
finite-volume formulation adopted in this solver, this method is
general. For instance, complex geometries or the free surface
deformation can be taken into account. Moreover, the proposed
algorithm does not require any modifications to be made to both
solvers. Only the implementation of interfaces is required. In
addition, it is shown that the number of iterations to reach a
converged state, is of the same order when the kinematics are
solved or when the motion is known in advance and imposed
(optimal configuration). The coupling algorithm is validated on the
following cases: vortex induced motions of simple shapes,
evaluation of the transfer functions of a frigate in regular head
waves, computation of the motion of very low density bodies
(strong anisotropic added mass effects), analysis of the roll decay
of a frigate with active fins (control of actuators) and simulation of a
moored ship in shallow water disturbed by a nearby ship (breaking
of mooring lines). Two simulations with flexible beams are also
presented. The framework is proven to be efficient for all the above
cases. For instance, the computed transfer functions of a frigate in
regular head waves are in good agreement with experimental data
and the effect of the stabilizer fins on the roll decay of a frigate is
perfectly captured.
Ce travail vise à développer un couplage entre deux solveurs
généralistes pour étudier des systèmes mécaniques complexes en
interaction forte avec un milieu fluide. La simulation collaborative
offre la possibilité de modéliser finement et sans approximation
notable le comportement du milieu fluide, la dynamique des
systèmes mécaniques considérés et les couplages entre ces deux
milieux. Les équations de Navier-Stokes exprimées en moyenne de
Reynolds pour un écoulement incompressible, isotherme, turbulent
et diphasique sont résolues par ISIS-CFD. La dynamique du
système mécanique est résolue par MBDyn, solveur open-source
d'analyse des systèmes multi-corps. Une formulation générale et
formelle du problème couplé par le biais de la formulation de
Steklov-Poincaré est réalisée. Un algorithme de couplage implicite,
rapide et stable est proposé, testé et validé. La stabilisation de
l'algorithme est obtenue par le biais d'un opérateur de relaxation
dépendant des effets de masse ajoutée. Pour cela, une méthode
d'évaluation des effets de masse ajoutée est implémentée au sein
de ISIS-CFD. Du fait de la formulation volumes finis adoptée au
sein de ce solveur, cette méthode est générale. Par exemple, elle
permet de prendre en compte des géométries complexes ou la
déformée de la surface libre. De plus, l'algorithme de couplage
proposé ne requiert pas que des modifications soient apportées au
sein de chacun des solveurs. Seule la mise en place d'interfaces
est nécessaire. De plus, il est montré que le nombre total
d'itérations pour atteindre un état convergé est du même ordre de
grandeur lorsque le mouvement est résolu ou quand il est connu
d'avance et imposé (configuration optimale). L'algorithme de
couplage est validé sur les applications suivantes : étude de
structures excitées par des lâchers tourbillonnaires, évaluation des
fonctions de transfert d'une frégate soumise à une houle de face,
calcul du mouvement de corps de faible densité en déséquilibre
hydrostatique (effets de masse ajoutée importants et anisotropes),
analyse de l'amortissement en roulis d'une frégate par des ailerons
actifs (commande d'actionneurs) et simulation d'un navire amarré
en faible profondeur perturbé par un navire passant à proximité
(modélisation de ruptures d'amarres). Deux simulations mettant en
jeu des corps flexibles de type poutre ont également été menées.
La chaîne de calcul s'est montrée performante sur l'ensemble des
applications citées ci-dessus. Par exemple, les fonctions de
transfert de la frégate soumise à une houle de face sont très
proches de celles évaluées lors d'essais expérimentaux et l'effet
des ailerons de stabilisation sur l'amortissement en roulis d'une
frégate est parfaitement capturé.