Étude 3D de l'apparition du galop en rotation sur des corps épais

L'Étude du galop en rotation est un sujet de recherche intéressant pour de nombreux domaines de l'industrie car ce phénomène est à l'origine de nombreux accidents. Il s'agit en effet de vibrations de grandes amplitudes dues à une instabilité créée par le couplage entre le mouvement du solide et les forces d'un fluide agissant sur la structure. À l'heure actuelle, la seule façon de prédire son apparition est de réaliser des simulations numériques coûteuses d'interactions fluide-structure ou d'effectuer des tests expérimentaux. Il n'y a pas de modèle théorique simplifié satisfaisant qui permettrait aux industries de prédire l'apparition du galop sur leurs structures de façon simple et sûre. De plus, les études numériques du galop en rotation prennent rarement en compte les aspects tri-dimensionnels du problème afin de diminuer les temps de calculs. Pourtant ces aspects sont à considérer pour se rapprocher des problèmes industriels. Dans ce mémoire nous avons utilisé une méthode numérique pour simuler des problèmes d'écoulements tri-dimensionnels autour d'un cylindre carré statique ou en mouvement. Dans le cas d'un cylindre en mouvement, la méthode numérique permet d'effectuer le couplage fort entre les forces fluides et le déplacement du cylindre. Cette méthode numérique a été rigoureusement vérifiée afin d'assurer la fiabilité de nos résultats qui ne peuvent pour l'instant pas être comparés à beaucoup d'études antérieures. Nous avons validé la méthode numérique sur d'autres cas à cause du manque d'études sur le sujet. Nos prédictions de forces éxercées par le fluide sur le cylindre statique viennent donc étoffer la littérature à ce sujet. Les prédictions du moment pour des écoulements tri-dimensionnels sont des informations importantes pour le développement d'un modèle théorique simplifié. Nous avons notamment observé que contrairement aux coefficients de portance et de traînée, la valeur absolue du coefficient de moment moyen ne diminue pas lorsque les perturbations tri-dimensionnelles sont prises en compte. Ensuite, les simulations d'interactions fluide-structure nous ont permis d'observer du galop en rotation dans un écoulement 3D, d'étudier la trajectoire ainsi que les forces agissant sur le solide. Finalement, nous avons observé que la corrélation de l'écoulement le long du cylindre oscillant à la fréquence du relâcher tourbillonnaire était plus grande que pour un cylindre fixe. D'autres études de corrélation nous laissent penser que le mouvement du cylindre a pour effet de recorréler les composantes fréquentielles du moment proches de la fréquence d'oscillation du cylindre et de décorréler les autres composantes. Ces informations sur la corrélation sont importantes dans le dimensionnement des structures et montrent que les modèles ne se basant que sur les cas statiques doivent absolument prendre en compte d'une manière ou d'une autre la recorrélation de l'écoulement dûe au mouvement du cylindre.

Abstract

Torsional galloping is a large amplitude oscillation phenomenon resulting from the coupling of the structure motion with the fluid forces acting on it. It is an important issue for a lot of industrial applications since it can lead to catastrophic structural failure. Presently, there is a need for a simplified theoretical model that could predict the torsional galloping phenomenon without expensive experiments or simulations. Moreover, many studies attempting to develop such a model do not take into account three-dimensional perturbations in the flow. These perturbations may become important for industrial applications. In this thesis, we use a numerical method to perform simulations of fixed or rotating square cylinders immersed in three-dimensional cross-flow. With our method we are able to fully take into account the strong coupling between fluid forces and the cylinder motion in order to perform reliable fluid-structure interactions simulations. This numerical method was first thoroughly verified to ensure the reliability of our study given that there is little previous work to compare it to. Hence, we perform its validation on different cases given the lack of studies on this subject. Our predictions of forces and moments acting on a fixed cylinder in three-dimensional flow will be needed for future developments of a simplified theoretical model for torsional galloping. Our results show that the absolute value of the moment coefficient does not decrease when we take into account three-dimensional perturbations. This is the opposite of what is observed for the Lift and Drag coefficients. Our fluid-structure simulations enable us to study the trajectory of the square cylinder undergoing torsional galloping and the forces acting on it. Finally we observed that the correlation of the flow along a cylinder undergoing rotational motion at the frequency of the vortex shedding was greater than the correlation for a fixed cylinder. A further study on correlation seems to show that the rotational motion of a square cylinder tends to increase the spanwise correlation of the moment frequency components close to the solid oscillation frequency and to decrease the correlation of the other frequencies. These results on the correlation of the flow are important for designing structures subject to torsional galloping. Indeed, it shows that a theoretical model must take into account this recorrelation phenomenon on a rotating cylinder.