Détermination des fréquences naturelles de structures submergées par la méthode d'intéractions fluide-structure bidirectionnelle

La présente recherche vise l'évaluation de la viabilité d'utilisation d'une méthode numérique récemment rendue disponible dans un logiciel commercial pour la prédiction du comportement dynamique de roues de turbine hydraulique en fonctionnement au stade de conception. Contrairement aux méthodes de prédiction classiques, cette méthode temporelle intégrant la simulation des interactions fluide-structure permet d'inclure l'effet de l'écoulement, de la turbulence et de la viscosité du fluide agissant sur le comportement dynamique de la roue. À cet égard, une prédiction plus juste permet d'assurer une fiabilité accrue de cette composante essentielle à la génération d'hydroélectricité. L'objectif principal de la recherche est la validation de la méthode numérique proposée pour la prédiction du comportement dynamique de structures submergées. Cette méthode fait intervenir deux solveurs distincts. Le premier résout le système associé au domaine structurel et le second, le système associé au domaine fluide. La résolution est réalisée de façon séquentielle et le transfert de données d'échange assure le couplage. Pour valider cette façon de faire, une méthodologie est d'abord développée à partir des fonctions logicielles disponibles. Dans un premier temps, celle-ci est appliquée à des cas test faisant intervenir des structures submergées dans l'eau stagnante dont les fréquences naturelles sont connues pour fin de validation. Aucun écoulement moyen n'est donc impliqué. Aussi, leur géométrie est simple et permet une mise en oeuvre relativement aisée. Par la suite, la méthodologie est appliquée à la prédiction des fréquences naturelles d'une roue de turbine en fonctionnement. Ce cas de figure intègre les effets associés à l'écoulement. La méthode numérique utilisée permet de réaliser des simulations temporelles exclusivement. La méthodologie envisagée est donc restreinte à cette contrainte. Concernant les cas test en eau stagnante, un déplacement initial est imposé à la structure puis elle est libre de vibrer dans le fluide. L'analyse du déplacement d'un point attaché à la structure en vibration libre dont l'amplitude est significative permet de déduire les fréquences naturelles des modes excités. Cette analyse consiste en l'ajustement d'un modèle simple de sinusoïdes amorties au signal brut provenant du logiciel. Les fréquences naturelles sont des paramètres directement déterminés lors de l'ajustement.

Abstract

This research aims to assess the viability of using a numerical method recently made available in commercial software for the prediction the dynamic behaviour of hydraulic turbine runners in operation at design stage. Unlike conventional prediction methods, this temporal method integrating the simulation fluid-structure interactions can take into account the effect of the surrounding flow, turbulence and fluid viscosity acting on the dynamic behaviour of the runner. In this regard, a more accurate prediction ensures the increasing of reliability of this essential component for the hydraulic power generation. The main goal of this research is the validation of the numerical method proposed for the prediction of the dynamic behaviour of submerged structures. This method involves two separate solvers. The first one solves the system associated with structural portion and the second solves the fluid portion. The resolution is achieved sequentially by transferring exchange data ensuring the coupling. To validate this approach, a methodology is first developed from the software available features. The first step is to apply the methodology to test cases whose submerged natural frequencies are known for validation purpose. The vibration of these simple systems is carried out in still water, no mean flow is therefore involved. Also, their geometry is simple and can be modelled relatively easily. Subsequently, the methodology is applied for the prediction of natural frequencies of a turbine runner under operation conditions. This simulation incorporates the effects associated with the flow. The numerical method used allows to perform time-dependant simulations only. The proposed methodology is then limited to this constraint. For the test cases in still water, an initial displacement is imposed on the structure and it is to vibrate freely in the fluid. The analysis of displacement of a point attached to the structure whose amplitude is significant allows to deduce the natural frequencies of the modes involved in the resulting free vibration. This analysis consists in the best fitting a simple model of damped sinusoids to the raw signal provided by the software. The natural frequencies are parameters directly determined during the best fit. The first validation test case considered is an infinitely long and rigid cylinder vibrating in a translation degree of freedom through an annular space filled with water. This case possesses a theoretical solution from the potential theory for validation purpose. By its nature, the geometry can be reduced to a two-dimensional modelling and allows the use of relatively small mesh sizes vii