Analyse expérimentale et simulations numériques de l'interaction fluide-structure d'un hydofoil élastique en écoulements subcavitant et cavitant

Le développement de structures portantes flexibles dans le domaine naval, telles que les hélices ou les safrans, pose de nouveaux problèmes de dimensionnement. Cette thèse a pour but de développer une méthode de dimensionnement validée par des essais pour des structures portantes déformables soumises à des écoulements, éventuellement diphasiques de type cavitant. Les essais sont réalisés sur un hydrofoil de type NACA66-312(mod.), fabriqué en polyacetate, au sein du tunnel hydrodynamique de l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale. Lors des essais, des mesures de déformations du profil portant ainsi que de niveaux vibratoires sont réalisées. Une méthode numérique couplant un code structure éléments finis (ANSYS Mechanical) avec un code fluide volumes finis (ANSYS CFX) par une méthode partitionnée, itérative, synchrone et séquentielle, laquelle est validée en terme de prédiction du déplacement et des contraintes pour des écoulements subcavitants dans un premier temps, puis pour des écoulements cavitants stables et instables.The design of flexible lifting bodies in the naval industry, such as propelleror rudders, create some new design problems. This thesis proposes a numerical method validated by experimental comparison for solving the case of lifting bodies loaded by flow with or whitout cavitation. The tests are carried out in the hydrodynamic tunnel of the French Naval Academy Research Institute, on a polyacetate flexible hydrofoil NACA66-312 (mod.). During tests, strains and vibrations are measured for comparisons with numerical results. The numerical method uses a sequential synchrone iterative partitionned coupling betweena structural finite-element code (ANSYS Mechanical) and a finite-volume code (ANSYS CFX). Good agreement between numerical and experimental results for displacements, and stresses of the structure is highlighted. For the cavitating flow, a good agreement for the cavitation dynamic is observed and the stresses are evaluated with satisfying accuracy.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Optimisation de la loi de calage d’un propulseur cycloïdal

Les propulseurs cycloïdaux sont caractérisés par la rotation de plusieurs pales autour d’un axe vertical, associée à un mouvement de chaque pale autour de son axe propre. L’objet de cet article concerne l’étude des lois de calage d’un propulseur à axe transverse dans le domaine de la propulsion cycloïdale navale. Avec ce type de propulsion, deux modes de cinématiques sont observés : le mode épicycloïdal utilisé pour les basses vitesses d’avance de navire (1). L’objectif final est de pouvoir établir des lois de calage, pour chacun des deux modes, maximisant l’effort propulsif. Les lois de calage sont d’abord définies cinématiquement par une approche quasi statique en utilisant la base de données SANDIA. Pour un paramètre d’avance particulier (=1,6), la loi de calage est corrigée par un processus itératif afin de prendre en compte la dynamique de l’écoulement au sein de la turbine par un calcul URANS 2D. Les lois de calage sont ensuite approchées par des fonctions paramétrables, afin de permettre leur optimisation par une méthode d’optimisation par processus Gaussiens (EGO). Dans le but de diminuer le temps d’optimisation EGO et de mieux comprendre l’influence des paramètres dans le processus d’optimisation, une périodicité et une non parité sont imposées pour ces fonctions à 2 ou 3 paramètres. Le processus d’optimisation est mis en œuvre sur l’approche quasi statique pour valider la méthode. Des essais futurs dans le bassin du centre Ifremer de Boulogne-sur-Mer avec la plateforme académique SHIVA seront mis en place pour une optimisation expérimentale des lois de calage pour les deux modes de fonctionnement. Cycloidal propulsors are characterized by the rotation of several blades around a vertical axis, associated with a movement of each blade around its own axis. The purpose of this article is to study the pitch laws of a transverse axis propulsor in the field of cycloidal marine propulsion. With this type of propulsion, two kinematic modes are observed: the epicycloidal mode used for low ship speeds (1). The final aim is to be able to establish pitch laws, for each of those two modes, maximizing thrust. The pitch laws are first defined kinematically by a quasi-static approach using the SANDIA database. For a particular advance parameter (=1,6), the pitch law is corrected by an iterative process in order to take into account the flow dynamics within the turbine by a 2D URANS calculation. The pitch laws are then modeled by configurable functions, in order to allow their optimization using surrogate-model based optimization methods (EGO). In order to reduce the EGO optimization time and to better understand the influence of parameters in the optimization process, a periodicity and odd parity are imposed for these 2 or 3-parameter functions. The optimization process is implemented on the quasi-static approach to validate the method. Future tests in the facilities of the Ifremer center in Boulogne-sur-Mer with the SHIVA academic platform will be conducted for an experimental optimization of the pitch laws for the two operating modes

Modélisation de l'effet du confinement sur le tourbillon marginal d'une aile-3D

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Confinement influence on tip vortex development

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Développement et validation d'un modèle de cavitation à poche sur hydrofoil et pale d'hélice

FRANCAIS Un module de cavitation à poche a été développé et implémenté sur un code potentiel hélice. La méthode pour représenter la cavitation à poche utilise les vitesses de transpiration qui permettent de dévier la condition de glissement sans modification de la géométrie. Cette modélisation permet une simulation très rapide par rapport aux différentes solutions passant par la résolution des équations de Navier-Stokes en diphasique. Le modèle est validé par comparaison avec des essais expérimentaux sur hydrofoils en 2D et en 3D. Ses performances sont également comparées à d’autres simulations numériques. ENGLISH A sheet cavitation module have been developed and applied in a BEM code for calculating propeller performance. This simulation, in order to represent the sheet cavitation, employs the transpiration velocities technique which allows the deviation of slip condition points without any modification of the geometry. The method provides a very rapid simulation compared to a two-phase Navier-Stokes simulations. The model is validated by comparison with the results of experimental trials performed on hydrofoils in 2D and 3D. Its performances are also compared with other numerical simulations

A BEM Method for the hydrodynamic analysis of fishing boats propulsive systems

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Etude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure

L'étude se place dans le contexte industriel de dimensionnement des structures navales telles que les safrans stabilisateurs et les hélices marines en collaboration avec un industriel du secteur naval. La thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique d un hydrofoil en régime transitoire incluant la prise en compte du couplage fluide structure. Les nombres de Reynolds étudiés sont compris entre 750 000 et 1 500 000. Le régime transitoire est caractérisé ici par une montée-descente en incidence à vitesse de rotation variable (lente, moyenne et rapide). La double approche, expérimentale et numérique, permet une analyse fine des phénomènes rencontrés, et permet de donner des éléments de réponse sur la fiabilité des calculs pour la prédiction des chargements hydrodynamiques. Les essais en tunnel hydrodynamique portent sur la mesure de pression pariétale, de déplacements et de cavitation. Les calculs sont effectués d'une part avec le code volumes finis CFX pour résoudre l'écoulement, en utilisant des modèles hydrodynamiques adaptés à l'étude (Euler, visqueux, modèle de turbulence , modèle de transition ). D'autre part, le code éléments finis ANSYS permet de calculer la réponse structurelle de l'hydrofoil soumis au chargement hydrodynamique. Le couplage est pris en compte par échange de données physiques à l interface fluide structure. L'étude de l'évolution spatio-temporelle du champ de pression pariétale autour de l hydrofoil rigide en mouvement de rotation transitoire a tout d'abord été menée. La transition laminaire turbulent a été identifiée, résultant de la formation d un bulbe de décollement laminaire. Pour les faibles vitesses de rotation, le passage de la transition au bord d'attaque a un impact important sur le chargement qui se traduit par une évolution en plateau autour de 5. Pour les fortes vitesses de rotation, l effet de la transition sur le chargement est réduit. On observe la disparition de l évolution en plateau qui conduit à une valeur plus importante du chargement hydrodynamique au décrochage. Un fort phénomène d hystérésis est constaté lors du retour à 0. L analyse expérimentale de la distribution spatio-temporelle des fluctuations de pression a permis d associer des fluctuations de pression périodique à des lâchers tourbillonnaires derrière le bulbe de décollement laminaire. Pour les fortes vitesses de rotation, un retard de la transition est constaté tandis que les fréquences de lâchers tourbillonnaires et les grandeurs du bulbe sont constantes.Le couplage fluide structure est ensuite étudié sur des hydrofoils dits déformables . Une étude stationnaire a permis de relier le chargement hydrodynamique aux déformations de la structure qui, lorsqu'elle se vrille, induit une modification locale de l'incidence suivant l'envergure. Une étude en régime transitoire a montré que l impact des régimes d'coulement est clairement visible sur les déplacements. De plus, le comportement structurel de l'hydrofoil a aussi été étudié en régime cavitant et montre un fort impact de la cavitation, que ce soit à incidence fixe ou en régime transitoire. D importantes fluctuations structurelles et variations d incidence ont été relevées qui peuvent induire un fort couplage entre l hydrofoil et l écoulement cavitant.The study is in the context of marine structure design such as rudder or marine propeller and is in collaboration with a naval industrial. The thesis deal with the experimental and numerical study of the hydrodynamic loading of an hydrofoil in transient regime including fluid structure interaction problems. The transient motion is defined as a pitching motion from 0 to 15 with a return to 0 for which various velocities are defined (slow, medium, fast). Reynolds numbers studied are between 750 000 and 1 500 000. Experimental and numerical approaches are carried out together, leading to an accurate study of phenomenon observed and giving response on prediction accuracy into industrial codes. Experiments deal with wall pressure, displacements and cavitation measurements in hydrodynamic tunnel. On one hand, the flow computations are done with the finite volume CFX code for which hydrodynamic models are selected in accordance to the flow case observed (Euler, viscous, turbulence model, transition model). On an other hand, the finite element code ANSYS is used for structure displacement resolution. The coupling is take into account by ensures the exchange of the physical information at the fluid structure interface. The study of the spatio temporal evolution of wall pressure around a rigid hydrofoil in transient pitching motion has been carried out. The laminar to turbulent transition is identified resulting from laminar separation bubble. For a slow pitching velocities, the transition have a strong impact on hydrodynamic loading and a plateau is observed at 5. For high pitching velocities, the transition effects are reduced which induced a higher value before stall. A strong hystereris is observed when the angle of incidence return to 0. Periodic pressure fluctuations are identified as vortex shedding of laminar separation bubble. For high pitching velocities, the transition is delayed whereas LSB vortex shedding frequencies and LSB size are constant. The fluid structure coupling was investigated on deformable hydrofoils. A stationary study has linked hydrodynamic loading to structural twist deformations which induced local incidence variations along the span. Then displacements of a deformable hydrofoil in transient pitching motion has shown that boundary layer events like transition and stall are clearly visible on measured hydrofoil displacements. This is confirmed by non coupled computations. Moreover, investigations of cavitating flows show that there is a strong impact of cavitation on structural behaviour, by both static and transient measurements. Significant local incidence fluctuations have been highlighted which can then creates a strong coupling between hydrofoil and cavitating flow.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Computational and experimental investigation of flow over a transient pitching hydrofoil

The present study is developed within the framework of marine structure design operating in transient regimes. It deals with an experimental and numerical investigation of the time–space distribution of the wall-pressure field on a NACA66 hydrofoil undergoing a transient up-and-down pitching motion from 0 to 15 at four pitching velocities and a Reynolds number Re¼ 0.75 106. The experimental investigation is performed using an array of wall-pressure transducers located on the suction side and by means of time–frequency analysis and Empirical Modal Decomposition method. The numerical study is conducted for the same flow conditions. It is based on a 2D RANS code including mesh reconstruction and an ALE formulation in order to take into account the foil rotation and the tunnel walls. Due to the moderate Reynolds number, a laminar to turbulent transition model was also activated. For the operating flow conditions of the study, experimental and numerical flow analysis revealed that the flow experiences complex boundary layer events as leading-edge laminar separation bubble, laminar to turbulent transition, trailing-edge separation and flow detachment at stall. Although the flow is relatively complex, thecalculated wall pressure shows a quite good agreement with the experiment provided that the mesh resolution and the temporal discretization are carefully selected depending on the pitching velocity. It is particularly shown that the general trend of the wall pressure (low frequency) is rather well predicted for the four pitching velocities with for instance a net inflection of the wall pressure when transition occurs.The inflection zone is reduced as the pitching velocity increases and tends to disappear for the highest pitching velocity. Conversely, high frequency wall-pressure fluctuations observed experimentally are not captured by the RANS model. Based on the good agreement with experiment, the model is then used to investigate the effects of the pitching velocity on boundary layer events and on hydrodynamic loadings. It is shown that increasing the pitching velocity tends to delay the laminar-to-turbulence transition and even to suppress it for the highest pitching velocity during the pitch-up motion. It induces also an increase of the stall angle (compared to quasi-static one) and an increase of the hysteresis effect during pitch-down motion resulting to a significant increase of the hydrodynamic loading.The present study is developed within the framework of marine structure design operating in transient regimes. It deals with an experimental and numerical investigation of the time–space distribution of the wall-pressure field on a NACA66 hydrofoil undergoing a transient up-and-down pitching motion from 0 to 15 at four pitching velocities and a Reynolds number Re¼ 0.75 106. The experimental investigation is performed using an array of wall-pressure transducers located on the suction side and by means of time–frequency analysis and Empirical Modal Decomposition method. The numerical study is conducted for the same flow conditions. It is based on a 2D RANS code including mesh reconstruction and an ALE formulation in order to take into account the foil rotation and the tunnel walls. Due to the moderate Reynolds number, a laminar to turbulent transition model was also activated. For the operating flow conditions of the study, experimental and numerical flow analysis revealed that the flow experiences complex boundary layer events as leading-edge laminar separation bubble, laminar to turbulent transition, trailing-edge separation and flow detachment at stall. Although the flow is relatively complex, thecalculated wall pressure shows a quite good agreement with the experiment provided that the mesh resolution and the temporal discretization are carefully selected depending on the pitching velocity. It is particularly shown that the general trend of the wall pressure (low frequency) is rather well predicted for the four pitching velocities with for instance a net inflection of the wall pressure when transition occurs.The inflection zone is reduced as the pitching velocity increases and tends to disappear for the highest pitching velocity. Conversely, high frequency wall-pressure fluctuations observed experimentally are not captured by the RANS model. Based on the good agreement with experiment, the model is then used to investigate the effects of the pitching velocity on boundary layer events and on hydrodynamic loadings. It is shown that increasing the pitching velocity tends to delay the laminar-to-turbulence transition and even to suppress it for the highest pitching velocity during the pitch-up motion. It induces also an increase of the stall angle (compared to quasi-static one) and an increase of the hysteresis effect during pitch-down motion resulting to a significant increase of the hydrodynamic loading