Two-Way Fluid-Structure Coupling in Vibration and Damping Analysis of an Oscillating Hydrofoil

Dès les premières phases de conception des composantes d'une turbine hydraulique, plusieurs facteurs, dont l'amortissement hydrodynamique et son influence sur la vibration des pales, doivent être estimés par les constructeurs afin d'évaluer le comportement dynamique des composantes. L'état de l'art actuel en la matière consiste à déterminer les caractéristiques dynamiques des aubes de turbine à l'aide de simulations numériques du fluide (simulations CFD) en régime stationnaire afin d'estimer le champ de pression induit par le fluide sur les aubes de la turbine. Ce champ de pression est ensuite appliqué en tant que condition limite ou de chargement sur l'aube afin de simuler son comportement mécanique par une méthode d'éléments finis. Une telle approche est appelée couplage unidirectionnel, car aucune déviation de l'aube n'est réinjecté dans la simulation CFD. Pour capturer l'influence de l'aube déformée sur le rendement hydraulique, la déformation doit être ramenée dans la simulation du fluide de telle sorte qu'une nouvelle solution CFD améliorée puisse être calculée et ainsi que la boucle d'interaction entre le comportement du fluide et de la structure puisse être fermée. Une telle boucle d'interaction bidirectionnelle entre les simulations du fluide et de la structure est appelée simulation couplée de l'interaction fluide-structure (ou FSI simulation, en anglais). C'est ce dernier type de simulation qui constitue l'objet du présent mémoire. Cette étude présente une validation des simulations numériques tridimensionnelles de l'interaction fluide-structure d'un profile hydraulique vibrant et examine la contribution de l'amortissement hydrodynamique du fluide à l'amortissement total. Nous utilisons une simulation de l'interaction fluide-structure basée sur deux solveurs distincts, l'un pour le fluide (ANSYS-CFX 13) et l'autre pour la structure (ANSYS Classic 13). Ces solveurs s'exécutent séquentiellement et échangent des informations à des points de synchronisation précis entre les étapes de simulation de chacun des domaines. Dans un premier temps, afin de valider les étapes de base de l'approche de couplage bidirectionnelle pour la simulation de l'interaction fluide-structure, l'oscillation d'une plaque verticale dans une cavité remplie d'un fluide est examinée. Nous considérons également l'analyse transitoire d'une plaque sèche encastrée à une extrémité afin d'évaluer l'effet de l'amortissement numérique sur les résultats de simulation. L'effet du choix du pas de temps et de la valeur d'amortissement visqueux sont également étudiés en détail. Après validation de l'approche proposée, une attention particulière est accordée à l'évaluation de l'amortissement engendré par l'interaction fluide-structure dans des conditions réaliste d'écoulement fluide, grâce à l'application d'une modélisation bidirectionnelle de l'interaction.

Abstract

Several factors in the design and analysis of hydropower structures, the identification of hydrodynamic damping and estimating its influences on the blade vibrations are crucial for constructors who try to assess the dynamics of runners in hydropower turbines at the earliest stage of the design phase. The current state-of-the-art approach to determine dynamic characteristics of the turbine blades consists of a steady state computational fluid dynamics (CFD) simulation which provides the fluid pressure on the turbine blade. This is then applied as a boundary or load condition for the finite element simulation of the configuration. Such an approach is called one-way coupled simulation since no deflection is fed back into CFD. To capture the influence of the deformed blade on the hydraulic performance, the deformation has to be brought back into the CFD solution such that an improved solution can be found and the loop can be closed. This comprises what is called two-way coupled fluid structure interaction (FSI) simulation or multi-field simulation, which is investigated in this thesis. This study presents a three-dimensional numerical fluid-structure interaction (FSI) modeling of a vibrating hydrofoil using the commercial software ANSYS-CFX and investigates the hydrodynamic damping as the fluid contribution to the total damping. We use an FSI simulation with two separate solvers, one for the fluid (CFD) and one for the structure (FEM) that run in sequential order with synchronization points to exchange information at the interface of the fluid and structure domains. In the present work the two commercially available solvers ANSYS CFX 13.0 and ANSYS Classic 13.0 are applied as CFD and FEM solver respectively. Different meshes were generated in this analysis for the fluid and solid fields. As the first step and to show the basic steps in fluid-structure interaction analysis with ANSYS-CFX and to validate the above mentioned two-way FSI approach, oscillation of a vertical plate in a cavity filled with a fluid is considered. We also consider the transient analysis of the plate with cantilever support in dry-condition to investigate the effect of considering numerical damping in the analysis. The effects of time step and viscous damping were also studied in details. After validating the proposed approach, special attention is paid to damping due to FSI in realistic flowing water conditions through the systematic application of a two-way fluid-structure interaction modeling.