Two-Way Fluid-Structure Coupling Methodology for Modeling 3D Flexible Hydrofoils in Viscous Flow

Les surfaces portantes. telles que des pâles, ailes, et hydrofoil sont sujets à des instabilités comme la divergence, le battement et la résonnance qui peuvent provoquer la fatigue de la structure et réduire sa tenue en service. Par conséquent, il est important de comprendre et de prédire avec précision la réponse et la stabilité de telles structures afin d'en assurer la sécurité, et de faciliter la conception et optimisation de concepts nouveaux et existants. L'interaction entre un écoulement et une structure, nommée interaction fluide-structure (IFS), doit être prise en compte lors de l'étude la réponse élastique et des instabilités de surfaces portantes. Pour de telles applications, l'écoulement et la structure sont couplés au travers de la charge qui s'exerce sur la structure par le fluide, et la déformation qui en découle. Pour certaines applications IFS, le fluide et le solide peuvent être couplés par un transfert unidirectionnel de la charge. Dans ce cas, un champ donné peut fortement affecter l'autre sans l'être lui-même. Cependant, pour certaines applications en ingénierie, où il y a une relation forte et potentiellement non-linéaire entre ces champs, un couplage unidirectionnel n'est pas adéquat. Alors, les déplacements de la structure causés par l'écoulement accentuent les forces du fluide de telle sorte que le fluide et la structure intéragissent en boucle de façon complexe. Donc, une analyse bi-directionnelle doit être entreprise. Les structure légères et flexibles sont couramment utilisées grâce aux avancées récentes dans les technologies des matériaux afin d'améliorer les caractéristiques hydrodynamiques et structurelles par rapport aux matériaux lourds et rigides. Dans cette thèse, on cherche une meilleure compréhension de la phénomènologie hydroélastique d'hydrofoils hautement flexibles, qui subissent de grandes déformations sous de fortes charges. Ceci milite en faveur d'une méthodologie IFS bidirectionnelle fortement couplée, en plus de l'incorporation de techniques numériques avancées pour la modélisation de la déformation de maillages adaptés. Pour des nombres de Reynolds moyens à élevés, le développement d'un écoulement turbulent autour de l'hydrofoil provoque un transfert du mouvement perpendiculaire à la paroi et permet à l'écoulement de se rattacher, et ainsi former une bulle laminaire de séparation (Laminar Separation Bubble, LSB). Le décrochage de l'écoulement, la formation de tourbillons dans le sillage, la localisation et le mouvement de la bulle laminaire sont tous des phénomènes qui affectent les charges hydrodynamiques et les vibrations de la structure. Par conséquent, une méthodologie numérique avancée, avec une précision spatiale suffisamment élevée a été incorporée dans ce travail pour capturer finement ces phénomènes à l'interface fluide-structure, tels que l'apparition et l'étendue de la zone de séparation.

Abstract

Lifting bodies, such as blades, wings, and hydrofoils, may be subject to instabilities, such as divergence, flutter, and resonance, which can fatigue the structure and reduce its operational longevity. Therefore, it is important to understand and accurately predict the response and stability of such structures to ensure their structural safety and facilitate the design and optimization of new and existing concepts. The interaction between fluid and structure, known as Fluid-Structure Interaction (FSI), should be taken into account in the study of elastic response and instabilities of flexible lifting bodies. In such applications, the fluid flow and structure are coupled through the loads exerted on the structure by the fluid, which results in the the structural deformation. In some FSI applications, fluid and solid can be coupled by one-way (unidirectional) load transfer. In this case, a given field may strongly affect, but not be affected significantly by the other field. However, for some practical engineering applications, in which there is a strong and potentially nonlinear relationship between the fields, one-way coupling is not adequate. In such cases, the structural displacement caused by the flow further enhances the fluid forces in such a way that both fluid and structure are interacting in a complex feedback fashion. Hence, two-way FSI analysis needs to be undertaken. Light-weight, flexible structures are widely used through recent advances in material technologies to improve hydrodynamic and structural performance compared to heavy and stiff materials. This project seeks to gain greater insight into the hydroelastic response of highly flexible hydrofoils, which undergo large deformation when subjected to high hydrodynamic loadings. This increases the necessity of incorporating strongly-coupled two-way FSI methodology in addition to the numerical challenges in mesh deformation modelling. At moderate to high Reynolds numbers, the development of turbulent flow around a hydrofoil causes a momentum transfer normal to the wall and allows the flow to re-attach, and form a Laminar Separation Bubble (LSB). Flow separation, formation of trailing edge vortices, location and movement of the LSB affect the hydrodynamic loading and structural vibration. Hence, an advanced numerical technique with sufficiently high spatial accuracy is incorporated in the present study to precisely capture these local interface phenomena, such as the onset and the amount of flow separation. The interaction between the foil and surrounding flow involve significant three-dimensional features that will not be neglected in the present study.