Free-Surface Effects on Two-Dimensional Hydrofoils by RANS-VOF Simulations

Foiling yachts and crafts are both very sensitive to the flying height in terms of stability and performance, raising the scientific issue of the influence of the free-surface when the foil is at low submergence. This work presents numerical simulations of a 2D hydrofoil section NACA0012 at 5° angle of attack in the vicinity of the free-surface, for different values of the submergence depth, for a chord-based Froude number of 0.571 and a Reynolds number of 159,000. Unsteady-Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) equations are solved with a mixture model to capture the free surface (Volume Of Fluid method), and using an automatic grid refinement. Verification of the numerical model and validation with data from the literature are presented. Deformation of the free surface and alteration of the hydrodynamic forces compared to the deep immersion case are observed for a submergence depth-to-chord ratio ℎ/c lower than 2. The foil drag increases up to more than three times the infinite-depth value at ℎ/c≈0.5. The lift force slightly increases until ℎ/c around 1, and then decreases sharply. For ℎ/c < 0.5, the pressure field around the foil is totally modified and the lift is swapped to downward. The study highlights the importance of considering the effect of finite submergence to compute foils’ hydrodynamic forces, for example to be used in Velocity Prediction Programs (VPP) of foiling crafts.ANR-19-STHP-0002 GENCI- [IDRIS] (Grant 2021-A10 [A0102A12500

Simulation couplée Fluide-Structure d'un hydrofoil en composite sous écoulement stationnaire et instationnaire

Ces travaux s'inscrivent dans un contexte grandissant de développement de concepts innovants d'hélices marines en composites dans l'optique d'en améliorer les performances. En effet, les matériaux composites offrent des perspectives intéressantes en termes de légèreté des structures, mais aussi de modifications des propriétés structurelles permettant de réduire les niveaux de vibrations générées par l'écoulement, [1]. Ces deux propriétés des matériaux composites en font une technologie de premier plan dans une actualité mondiale préoccupée par la réduction des émissions de CO2. Par ailleurs, l'adaptation de la structure composite à l'écoulement sous l'effet du chargement hydrodynamique entraine également un retard d'apparition de la cavitation présentant un fort intérêt opérationnel pour les Marines. Ce papier présente plus spécifiquement la validation d'une boucle de calculs couplés fluide-structure à l'aide des logiciels commerciaux de CFD (Starccm+) et de CSD (Abaqus) des déformations d'un profil composite sous chargement hydrodynamique. Le cas de validation envisagé ici est un NACA0009 développé initialement par l'Australian Maritime College (AMC) et testé expérimentalement dans [2], puis optimisé plus récemment à l'aide de codes numériques dans [3]. L'hydrofoil est encastré à sa base, et son extrémité laissée libre afin d'obtenir un comportement s'approchant de l'hélice marine. La mise en place et la validation préalable des modèles fluide 3D RANS et structure sera présentée, puis les résultats numériques seront confrontées aux données d'expériences issues de la littérature [2]. Il est montré que le modèle fluide prédit correctement les coefficients hydrodynamiques jusqu'au décrochag

Simulations couplées fluide-structure et étude expérimentale d'un hydrofoil composite sous écoulement hydrodynamique

This Ph.D is sponsored by the French company Naval Group in collaboration with LHEEA Laboratory from Ecole Centrale de Nantes and GeM Institute from ICAM de Nantes, and deals with the development of new composite marine propellers with improved efficiency, improved acoustic discretion and more environment-friendly. One of the key solutions lies in the application of composite materials to marine structures, in order to benefit from their reduced weight, increased flexibility and bend-twist coupling capacity. Indeed, the latter enables the shape-adaptability of the structure to passively adapt to the incoming flow. To meet this challenge, we first set-up a tightly coupled numerical fluid-structure method using two commercial CFD (Starccm+) and CSD (Abaqus) solvers on two flexible hydrofoils and we validated this method against experimental results available in the literature. Second, we specifically developed a composite hydrofoil to behave closely like a marine propeller and tested it in the hydrodynamic tunnel of the Ecole Navale. Thanks to the combined experimental and numerical analysis of this composite hydrofoil we reached the following conclusions: i) we helped demonstrate the industrial application of a state-of-the-art strain measurement technique using optical fibers directly embedded within the composite plies, ii) we provided some insights into the physics of the fluid-structure interaction occurring on composite hydrofoils and iii) we presented the current limitations of this coupled numerical fluid-structure method relatively to its industrial application.Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration CIFRE entre Naval Group, le Laboratoire d’Hydrodynamique, d’Energétique et d’Environnement Atmosphérique (LHEEA) de l’Ecole Centrale de Nantes et de l’Institut de Génie des Matériaux (GeM) de l’ICAM de Nantes, sur la problématique de développement d’hélices marines plus efficaces, plus discrètes, et plus respectueuses de l’environnement. Une des solutions passe par le développement de structures composites plus légères et plus flexibles, capables de se déformer passivement pour s’auto-adapter à l’écoulement incident grâce à leurs propriétés spécifiques de couplage flexion-torsion. En lien direct avec cette problématique, nous avons réalisé les travaux de thèse en deux temps. Nous avons dans un premier temps mis en place, montré la faisabilité et validé une méthode de couplage numérique fluide- structure implicite fort entre les codes commerciaux de CFD Starccm+ et de CSD Abaqus pour un cas d'application issu de résultats expérimentaux disponibles dans la littérature sur deux hydrofoils flexibles déformables. Puis dans un second temps nous avons développé, réalisé et testé, dans le tunnel hydrodynamique de l’Ecole Navale, un profil portant composite spécifiquement conçu pour s’approcher du comportement d’une hélice. L’étude expérimentale et numérique de cette configuration nous a permis i) d’éprouver l'utilisation en milieu académique et industriel de nouvelles méthodes expérimentales d'instrumentation d'une pièce composite par insertion directe de fibres optiques dans les plis de composite, et d'une méthode mixte numérique - expérimentale de calibration fine d'un modèle numérique structure ; ii) d’apporter un éclairage sur la physique de l'interaction fluide- structure se produisant sur une surface portante composite ; et iii) de préciser les limitations actuelles concernant la diffusion en milieu industriel de cette méthode de couplage numérique fluide-structure

Amortissement vibratoire d'hydrofoil par couplage piézoélectrique

International audienceLes travaux présentés dans cette étude s'inscrivent dans une thématique innovante de développement et de mise en oeuvre de surfaces portantes intelligentes en milieu naval (projet 'Smart Lifting Surfaces' de l'Institut Carnot ARTS). Sous certains régimes d'écoulement, les surfaces portantes de types hydrofoils, hydroliennes et hélices sont en effet soumises à des phénomènes vibratoires d'interaction fluide-structure qui conduisent, d'une part, à une diminution de la durée de vie par fatigue et, d'autre part, à une diminution de la discrétion acoustique. La compréhension physique des phénomènes de vibration sous écoulement, ainsi que la modification de la dynamique de la structure dans l'objectif d'une réduction de ces vibrations, présentent donc un fort intérêt opérationnel et font l'objet de cette étude. Ce papier présente plus spécifiquement une stratégie de contrôle dynamique de la structure visant à réduire l'amplitude vibratoire par un couplage piézoélectrique. Nous nous intéressons dans cette étude à une structure équipée de patchs piézoélectriques capables de convertir une partie de l'énergie vibratoire en énergie électrique. On considère ici un shunt piézoélectrique résonant purement passif constitué d'une inductance et d'une résistance. Une analyse numérique et expérimentale préalable de la dynamique de l'hydrofoil permet d'extraire les fréquences de résonance à contrôler et les déformées modales associées. Ces données permettent de guider les choix de conception des circuits électriques et le placement des patchs piézoélectriques. Les vibrations de la structure sont mesurées en air et sous écoulement hydrodynamique pour différents régimes d'écoulement

Vibration damping of marine lifting surfaces with resonant piezoelectric shunts

International audienc

Free-Surface Effects on Two-Dimensional Hydrofoils by RANS-VOF Simulations

International audienceFoiling yachts and crafts are both very sensitive to the flying height in terms of stability and performance, raising the scientific issue of the influence of the free-surface when the foil is at low submergence. This work presents numerical simulations of a 2D hydrofoil section NACA0012 at 5° angle of attack in the vicinity of the free surface, for different values of the submergence depth, for a chord-based Froude number of 0.571 and a Reynolds number of 159,000. URANS equations are solved with a mixture model to capture the free surface, and using an automatic grid refinement. Verification of the numerical model and validation with data from the literature are presented. Deformation of the free surface and alteration of the hydrodynamic forces compared to the deep immersion case are observed for a submergence depth-to-chord ratio h/c lower than 2. The foil drag increases up to more than three times the infinite-depth value at h/c = 0.5. The lift force slightly increases until h/c around 1, and then decreases sharply. For h/c < 0.5, the pressure field around the foil is totally modified and the lift is swapped to downward. The study highlights the importance of considering the effect of finite submergence to compute foils' hydrodynamic forces, for example to be used in Velocity Prediction Programs (VPP) of foiling crafts

Passive vibration damping of hydrofoils using resonant piezoelectric shunt

Marine lifting surfaces undergo flow-induced vibrations leading to shorter life cycles due to structural fatigue and reduced acoustic performances. As such, accurate understanding of the fluid-structure response of marine structures, as well as vibrations control and damping, are critical to many maritime applications. In particular, this work investigates the potential of the electromechanical coupling inherent to piezoelectric materials for passive vibration damping of hydrofoils under hydrodynamic flows. An aluminium flat plate equipped with piezoelectric patches connected to a resonant shunt is considered. The structure is first tested under hydrodynamic flows for various Reynolds numbers to investigate its flow-induced vibrations. This allows to determine the natural frequency of interest to test the control solution. Second, an experimental modal analysis is carried out to determine the open and short circuit natural frequencies in order to compute the piezoelectric coupling factor. Indeed, the latter is related to the expected performance of the passive vibration damping strategy. Third, the values for the resistive and inductive components of the RL-shunt are inferred from the coupling factor and the natural frequencies. Last, the control solution is tested in still air and water in open and short circuits configurations. Comparisons of these two configurations are realised and the resonant shunt performance for vibration reduction of hydrofoils is estimated

Vibration Damping of Hydrofoils via Electromechanical Coupling

Les travaux présentés dans cette étude s'inscrivent dans une thématique innovante de développement et de mise en oeuvre de surfaces portantes intelligentes en milieu naval (projet 'Smart Lifting Surfaces' de l'Institut Carnot ARTS). Sous certains régimes d'écoulement, les surfaces portantes de types hydrofoils, hydroliennes et hélices sont en effet soumises à des phénomènes vibratoires d'interaction fluide-structure qui conduisent, d'une part, à une diminution de la durée de vie par fatigue et, d'autre part, à une diminution de la discrétion acoustique. La compréhension physique des phénomènes de vibration sous écoulement, ainsi que la modification de la dynamique de la structure dans l'objectif d'une réduction de ces vibrations, présentent donc un fort intérêt opérationnel et font l'objet de cette étude. Ce papier présente plus spécifiquement une stratégie de contrôle dynamique de la structure visant à réduire l'amplitude vibratoire par un couplage piézoélectrique. Nous nous intéressons dans cette étude à une structure équipée de patchs piézoélectriques capables de convertir une partie de l'énergie vibratoire en énergie électrique. On considère ici un shunt piézoélectrique résonant purement passif constitué d'une inductance et d'une résistance. Une analyse numérique et expérimentale préalable de la dynamique de l'hydrofoil permet d'extraire les fréquences de résonance à contrôler et les déformées modales associées. Ces données permettent de guider les choix de conception des circuits électriques et le placement des patchs piézoélectriques. Les vibrations de la structure sont mesurées en air et sous écoulement hydrodynamique pour différents régimes d'écoulement

Experimental and Numerical Investigation of the Fluid-Structure Interaction on a Flexible Composite Hydrofoil under Viscous Flows

This research investigates the fluid-structure interaction and hydroelastic response of a composite hydrofoil using an innovative joint experimental and numerical method. The main novelties are, first, the use of a state-of-the-art strain measurement technique, via a fully-distributed-optical fiber sensor directly 20 embedded within the composite plies. This method allows for a finer representation of the structural deformations under hydrodynamic loading. Second, a tightly-coupled high-fidelity fluid-structure interaction numerical model taking into account the turbulent effects in the flow and the ply-by-ply modelling of the composite, is compared to the experimental results. A composite profile is specifically designed as a trapezoidal hydrofoil and is tested for moderate Reynolds number and pre-stall and post-stall incidences. High-speed imaging of the hydrofoil tip and vibrometer measurements are carried out to determine the experimental tip displacements and hydrofoil's vibrations. The numerical and experimental results show a very strong hydroeleastic response, with a structural resonance even for low Reynolds numbers due to the high flexibility of the structure. Strong coupling of the fluid and the structure, with lock-in of the von Kármán vortex-shedding to the structure for small incidences, and an excitation of the 30 structure by leading-edge vortex-shedding for higher incidences, are also observed