Fluid-Structure Interaction for elongated bodies
Interaction Fluide-Structure pour les corps élancés
Résumé
The current computational resources lead the different scientific disciplines to get closer to each other, in order to consider more and more complex phenomena. Thus, one of the axis of research of the CFD Team from École Centrale Nantes is the Fluid-Structure Interaction (FSI). In this context, the development of a large displacement structural solver for elongated bodies and its coupling with the non-structured finite volume RANSE solver, ISIS, has been done. This thin beam solver relies on the Cosserat theory and on the 'geometrically exact' approach. The space coupling on the interpolations and the information transfer at the fluid-structure interface were realised with caution, in order to be as accurate as possible and to fulfill the load conservation. Since the beam solver can be used for great displacements, an original technique had to be built to update the fluid computational domain. It is based on the pseudo solid approach, which allows a precise control over the mesh deformation through a local behaviour law of the pseudo-solid. Each part of the FSI code has been checked: the structural solver on 2D/3D test-cases, in statics and in dynamics, in small and large displacements; the remeshing module has been tested on various geometries and with MPI. Finally, some FSI applications have been performed: two bidimensional examples, a steady case and a fully unsteady one; then, the program has shown its capabilities in 3D on a deformable cable in a current with a fixed end. The computation of a riser towed in a multifluid environment at rest has also been done and studied.
Les moyens de calcul actuels conduisent les différentes disciplines scientifiques à se rapprocher, afin de prendre en compte des phénomènes physiques de plus en plus complexes. Ainsi, un axe de recherche de l'Équipe de Modélisation Numérique du Laboratoire de Mécanique des fluides UMR6598 de l'École Centrale Nantes est l'Interaction Fluide-Structure (IFS). Dans ce contexte, le développement d'un solveur structure grand déplacement, limité aux corps élancés, puis son couplage avec le code RANSE volumes-finis non-structuré ISIS ont été réalisés. Le solveur poutre s'appuie sur la théorie de Cosserat et sur la méthode dite 'géométriquement exacte'. Une attention particulière a été portée au couplage en espace sur les interpolations et au transfert des informations à l'interface fluide-structure, afin d'être le plus précis possible et d'assurer la conservation des efforts. Le code poutre pouvant prendre en compte de grands mouvements, une technique originale a dû être écrite pour mettre à jour le domaine de calcul fluide. Elle se base sur l'approche pseudo-solide, et permet via une loi de comportement locale du pseudo-solide, de contrôler finement la déformation du maillage. Chaque partie du code IFS a été validée : le solveur poutre sur des cas-tests 2D/3D, en statique et en dynamique, en petit et grand déplacement; le module de remaillage sur des géométries variées et en calcul parallèle. Enfin, quelques applications IFS ont été traitées : deux exemples bidimensionnels, l'un stationnaire, l'autre très instationnaire; puis, le programme a montré ses possibilités en tridimensionnel sur un câble déformable fixé à une extrémité et subissant un courant, ou encore un riser tracté dans un environnement multifluide au repos.
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