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.