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.