Analysis of added mass in cavitating flow

The paper addresses a theoretical study of the added mass effect in cavitating flow.The cavitation is considered to induce a strong time–space variation of the fluid density at the interface between an inviscid fluid and a three-degree-of-freedom rigid section. The coupled problem is then simplified to a Laplace equation written for the pressure with a boundary condition at the fluid–structure interface depending on the acceleration, the velocity of the structure and on the rate of change of flow density. It is shown that contrary to the homogeneous flow, the added mass operator is not symmetrical and depends on the flow through fluid density variation. The added mass coefficients decrease as the cavitation increases which should induce an increase of the natural structural frequencies. The model shows also an added damping operator related to the rate of change of flow density. Added damping coefficients are found to be positive or negative according to the rate of change of the fluid density, indicating the possibility of instability development between flexible structures and unsteady cavitating flows

Analysis of added mass in cavitating flow

The paper addresses a theoretical study of the added mass effect in cavitating flow.The cavitation is considered to induce a strong time–space variation of the fluid density at the interface between an inviscid fluid and a three-degree-of-freedom rigid section. The coupled problem is then simplified to a Laplace equation written for the pressure with a boundary condition at the fluid–structure interface depending on the acceleration, the velocity of the structure and on the rate of change of flow density. It is shown that contrary to the homogeneous flow, the added mass operator is not symmetrical and depends on the flow through fluid density variation. The added mass coefficients decrease as the cavitation increases which should induce an increase of the natural structural frequencies. The model shows also an added damping operator related to the rate of change of flow density. Added damping coefficients are found to be positive or negative according to the rate of change of the fluid density, indicating the possibility of instability development between flexible structures and unsteady cavitating flows

Application de la réduction de modèle à l'interaction fluide structure

Cet article s'intéresse à la réduction de modèles en Interaction Fluide Structure (IFS) par la méthode décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Une difficulté importante dans l'application de cette technique à l'IFS est liée à la déformation du domaine fluide induite par le mouvement de la structure. Nous proposons d'appliquer la POD à un domaine fixe, réunion du domaine du fluide et du domaine du solide et de construire ainsi une base POD relative à ce domaine globale. Nous nous intéressons ici aux cas où la structure est un solide rigide, le problème couplé est alors écrit en formulation eulérienne et utilise une approche de type domaine fictif. On construit ensuite un système dynamique réduit en projetant ces équations sur la base POD globale

Etude numérique et expérimentale du comportement hydroélastique d'un hydrofoil dans un écoulement cavitant

Ce travail concerne une étude préliminaire relative à la modélisation numérique d'une structure déformable immergée dans un écoulement cavitant instationnaire. Un hydrofoil de type NACA66012 est considéré. Le calcul de la dynamique du fluide est basé sur un code volume finis 2D avec modèle de cavitation 1-fluide. Le calcul de la dynamique de la structure 3D, est réalisé avec le code éléments finis CASTEM. Le couplage est réalisé simplement par l'interpolation des efforts de pression aux noeuds de la structure calculés au préalables sur une section 2D de la structure rigide. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats expérimentaux obtenus dans le tunnel hydrodynamique de l'Ecole Navale

Contribution au développement d'algorithmes de couplage en interaction fluide-structure

Ce mémoire est une contribution aux études de problèmes d'Interaction Fluide-Structure (IFS). Le code Castem est utilisé afin de créer un outil numérique libre et accessible pour traiter, dans sa globalité, le problème de modélisation d'un barrage ou réservoir souple flottant. Dans un premier temps, nous avons effectué la validation de Castem en absence de couplage fluide-structure. Nous avons considéré une discrétisation spatiale en éléments finis des équations de Navier-Stokes adimensionnelles, le schéma d'Euler implicite pour la discrétisation en temps et la méthode de projection pour le couplage vitesse-pression. La validation s'est portée sur des cas d'écoulement laminaire autour d'un cylindre de section circulaire et carrée. Les résultats obtenus (nombre de Strouhal, coefficients de traînée et de portance, ) sont très proches des résultats expérimentaux ou issus d'autres calculs numériques réalisés avec d'autres codes de calcul. Ensuite, nous avons procédé à la mise en œuvre des algorithmes de couplage Fluide-Structure sur plusieurs configurations, en laissant les mêmes caractéristiques des schémas de discrétisation des équations du fluide que précédemment. Dans ce cas, on utilise la formulation ALE pour les équations du fluide. Nous avons étudié les oscillations, forcées et libres, d'un cylindre dans un domaine fluide annulaire, en considérant les cas d'un fluide parfait puis d'un fluide visqueux. Dans le cas des oscillations forcées où le mouvement harmonique du cylindre est imposé, les résultats obtenus (coefficient de masse ajoutée, efforts fluides sur le cylindre, ) comparés aux résultas données par les modèles de Fritz, dans le cas d'un fluide non visqueux, et Sinyavaski ou Chen, dans le cas d'un fluide visqueux, sont assez précis. Dans le cas des oscillations libres où le mouvement du cylindre est déterminé par l'action couplée fluide-solide, nous avons constaté que l'algorithme de couplage implicite est celui qui prédit le mieux les oscillations de la structure. Nous étions néanmoins contraint d'introduire des sous-pas de temps pour le solide afin d'obtenir de meilleurs résultats. Le code développé dans Castem, a été aussi testé avec succès pour prédire les phénomènes liés au cas d'un cylindre en oscillations dans un écoulement laminaire incompressible (accrochage fréquentiel, modes d'émission de tourbillons, ).Pour l'application, une configuration proche de l'objectif initial de la thèse, qui est la modélisation des barrages flottants et réservoirs souples, a été traitée. L'objet de cette application est l'étude du déplacement d'un anneau complètement immergé dans un fluide en écoulement laminaire et amarré par un câble à la paroi inférieure du domaine fluide. Enfin, une introduction à une méthode de réduction de modèle en Interaction Fluide-Structure, la POD, est présentée. Il s'agit d'une méthode déjà utilisée en mécanique des fluides et en mécanique des structures mais en stade de développement en IFS. Elle a été appliquée à certaines configurations étudiées précédemment et les résultats obtenus sont prometteurs.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Une méthode statistique pour l'étude de l'interaction fluide-particules

Dans ce travail, l'interaction fluide-particules est étudiée. Le fluide agit sur les particules, supposées sphériques et solides, par la force hydrodynamique Ff. En même temps, l'écoulement est localement modifié suite au déplacement des particules, par l'intermédiaire d'un terme source volumique Fp dans l'équation de Navier-Stokes. Les projections du champ de vitesse Eulérien sur les particules et du terme source dû aux particules sur les noeuds fluide, sont réalisées en utilisant une idée issue de la méthode des éléments finis. Dans tout ce qui suit, chaque particule "de calcul" est supposée représenter le même nombre fixe np de particules "physiques". Afin d'améliorer cette méthode, une approche statistique de détermination de npi (variable dans le temps et d'une particule à l'autre) relatif à la ième particule de calcul est présentée. Cette approche se base sur la modélisation par une Gaussienne de la distribution des particules physiques représentées par chaque particule de calcul. Un résultat préliminaire de cette méthode est présenté

Hydrodynamic Efficiency Analysis of a Flexible Hydrofoil Oscillating in a Moderate Reynolds Number Fluid Flow

International audienceThe paper focuses on the study of a semi-activated system, based on a combination of two movements of forced pitching and free-heaving motion. Therefore, quantifying with accuracy the hydrodynamic forces applied on the hydrofoil seems to be crucial. This is investigated throughout a numerical analysis of the hydrofoil dynamics. The deformable structure is oscillating in a low-Reynolds number flow. In this study, a hydrofoil animated by a combined forced pitching and heaving movements is considered. Various materials of the hydrofoil structure are studied, from the rigid material to a more flexible one. A partitioned implicit coupling approach is applied in order to consider the Fluid-Structure Interaction (FSI) effects, while the Navier-Stokes equations are solved using the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method. Both the viscous incompressible Navier-Stokes equations and the elasticity equation are solved using finite volume method. The study is based on the analysis of the hydrodynamic loads acting on the structure. Therefore, the induced dynamics and the power coefficient of the structure are investigated. It is shown that the flexibility of the hydrofoil has an effect on its hydrodynamic behavior. Indeed it increases the load fluctuations and the horizontal mean force component. Furthermore, the unsteady vortices around the hydrofoil are highly impacted by its deformations. Finally, the structure deformations mostly improve the device energy efficiency

Low order dynamical system for fluid-rigid body interaction problem using POD method

This paper describes the Reduced Order Modeling (ROM) for fluid rigid body interaction problem and discusses Proper Orthogonal Decomposition (POD) utilisation. The principal difficulty for using POD being the moving domains, a referenced fixed domain is introduced. The POD is applied for the velocity field obtained on the fixed domain. Then a method to reduce dynamical system in rigid body fluid interaction is developed. This method uses the fictitious domain method approach, which consists in treating the entire fluid-solid domain as a fluid. The rigid body is considered as a fluid, by using a high viscosity which can play the role of a penalisation factor of the rigidity constraint, and by adding a distributed Lagrange multiplied associated to this constraint in the weak formulation. The fluid flow problem is then formulated on the reference domain and POD modes are used in the weak formulation. The results are compared with computational solution and discussed

Critère de stabilité fluide-élastique pour un réseau de cylindres soumis à un écoulement potentiel

L'instabilité fluide-élastique est l’un des plus importants mécanismes d'excitation dû au couplage fluide-structure, pouvant provoquer des vibrations excessives de réseaux de cylindres dans les échangeurs de chaleur. L'expérience montre que la plupart des problèmes de vibration au sein de ces dispositifs sont liés à l'instabilité dynamique dite fluide-élastique. En effet, en présence de confinement et d'un écoulement transverse, les cylindres minces peuvent être sujets à de fortes vibrations, ce qui peut conduire au développement d'instabilité et donc à un risque de rupture ou de collision avec les systèmes de maintien. Aussi, dès la conception, des analyses détaillées des vibrations induites par écoulement sont requises Le but de cette étude est de contribuer à une meilleure compréhension des efforts dus à un fluide externe, exercés sur de longs cylindres minces induisant des perturbations de l'écoulement. L'Interaction Fluide-structure et les vibrations induites par l'écoulement dans un faisceau tubulaire à pas carré soumis à un écoulement transversal de fluide non-visqueux et incompressible, dans un cadre irrotationnel sont étudiés. La formulation mathématique puis la résolution du système des équations régissant les dynamiques couplées du fluide et du solide en interaction conduisent à l’établissement de carte de stabilité dynamique pour un cylindre mobile au sein d’un réseau de cylindres fixes. L’ensemble des paramètres géométriques, mécaniques et hydrauliques est pris en considération. L’ approche semi-analytique utilisée permet de déterminer un critère de stabilité du système dynamique considéré et l'influence de chaque paramètre physique de la configuration sur la dynamique est quantifiée. Cette approche originale permet de poser les bases des études de stabilité de ces systèmes dynamiques dans un cadre potentiel irrotationnel incompressible

An algebraic expansion of the potential theory for predicting dynamic stability limit of in-line cylinder arrangement under single-phase fluid cross-flow

International audienceFlow-induced vibration in square cylinder arrangement under viscous fluid incompressible cross-flow is investigated in the present work. The purpose is to contribute to better mod-eling and understanding external fluid loads exerted on long thin cylinders inducing flow perturbations. Due to high flow confinement, thin cylinders may be subjected to strong vibrations, which may lead to dynamic instability development. A theoretical approach is developed to determine a stability criterion of the dynamical system. The influence of geometric, mechanical and flow parameters such as reduced velocity and pitch ratio is investigated. The proposed model is derived from the potential flow theory and enhanced through an algebraic phase lag model in order to predict the critical limit of the reduced velocity for a square cylinder arrangement submitted to an external in-line cross flow. A theoretical formulation of the total damping, including added damping in still fluid, the damping due to fluid flow and the damping derived from the phase shift between the fluid load and the tube displacement, is expressed. A function depending on fluid and structure parameters, such as reduced velocity, pitch ratio and Scruton number is thus obtained. It is shown that this function provides a prediction of the dynamic stability limit of the system for several ranges of the major parameters to be considered. The results are compared to experimental reference solutions and to those provided by other theoretical models. This work proposes a consistent original model based on a potential flow theory enriched by using an algebraic formulation based on standard physical assumptions from literature. The major advantage of this model is due to the fact that it is in the same time robust and very user-friendly from a computational point of view thanks to the potential framework. In order to describe fluid and solid dynamics in the domain, terms coming from the potential flow theory are estimated by using a finite element method and complementary terms acting on damping are obtained through an algebraic formulation. Therefore this is a convenient way to propose a hybrid numerical / algebraic model for predicting dynamic instability limit in cylinder arrangements