Simulations des interactions fluide-structure par une formulation bilatérale fortement couplée sous OpenFOAM

Ce projet est relatif au développement d'un solveur fluide-structure fortement couplé et à la mise en place de sa vérification et sa validation au travers de différents cas d'étude. Dans des conditions classiques d'opération, le passage périodique des pales mobiles de la roue à proximité des directrices peut induire des vibrations dans la machine. Ces vibrations, appelées interactions rotor-stator, rentrent dans la catégorie plus vaste des interactions fluide-structure (IFS). Lorsque la fréquence de vibration avoisine une fréquence propre de la turbine, cela peut conduire à des fissures et une dégradation prématurée de la machine [1, 2, 3]. Ce problème devient alors un défi de conception pour les machines actuelles qui opèrent dans une large gamme de conditions d'écoulements. Bien que le domaine des interactions fluide-structure soit connu depuis des années en aérodynamique, les phénomènes qui entrent en jeu sont de plus en plus étudiés par les chercheurs en hydraulique [4, 5]. La principale différence que l'on retrouve entre l'aérodynamique et l'hydraulique vis-à-vis des IFS réside dans les propriétés de l'eau en tant que fluide. En effet, en comparaison avec l'air, l'eau ajoute une masse significative au système. Cette masse ajoutée augmente alors le couplage entre le fluide en mouvement et la structure, ce qui induit des forces d'amortissement [6]. Ces forces d'amortissement varient en fonction de la vitesse du fluide, cependant la relation exacte entre la vitesse d'écoulement et les forces d'amortissement constitue toujours un défi important. Ce projet vise à étendre le travail précédemment effectué par l'équipe MAGNU sur une formulation d'IFS fortement couplée développée dans un environnement ANSYS Workbench/CFX [7]. Tel que le présentait cette étude, une grande portion du temps de résolution était passée à échanger des données entre les simulations du fluide et de la structure qui étaient effectuées dans des solveurs distincts. Une nouvelle approche est alors proposée dans le présent projet et cherche à développer un solveur unique pour la résolution des deux domaines à l'aide des possibilités de résolution du logiciel Open-Source OpenFOAM. Afin de valider les résultats de simulation, des mesures expérimentales ont été réalisées par Andritz sur un profil. Ce cas test consiste en une plaque profilée immergée dans un tunnel d'eau. La plaque est alors excitée par des actionneurs piézoélectriques [8]. Les mesures ont été effectuées pour plusieurs conditions d'écoulement et quatre profils de différents rapports d'aspect. Deux types de validations vont être mises en place, d'abord avec les données expérimentales puis avec la méthode développée dans l'étude précédente sous CFX. Afin d'atteindre ces objectifs, les étapes suivantes ont été accomplies : 1. Paramétrer une analyse structurelle du problème de profil vibrant afin d'obtenir les fréquences des premiers modes de vibration en l'absence de fluide environnant. Cette analyse a été conduite sous un logiciel commercial et permet de vérifier par la suite que la plaque profilée vibre bien au bon mode. 2. Paramétrer et vérifier les simulations de dynamique des fluides pour plusieurs conditions d'écoulements stationnaires et instationnaires à l'aide d'OpenFOAM. Des cas de vérification sur des géométries simples ont été utilisés pour ces analyses. 3. Coupler les analyses structurelle et fluide en s'assurant notamment du bon transfert d'information à l'interface. Ce couplage a été développé sous OpenFOAM au sein d'un nouveau solveur. 4. Vérifier le comportement du solveur à l'aide d'un cas de poutre encastrée-libre immergée dans un fluide. Cette vérification a notamment mis en lumière l'influence de la densité du fluide environnant sur la stabilité des simulations. 5. Simuler les déformations de la plaque profilée soumise à une force initiale extérieure et observer la fréquence des oscillations et l'amortissement hydraulique. La validation du solveur a été étudiée à l'aide de la comparaison des résultats avec les mesures expérimentales disponibles.

Abstract

This project relates to the development of a fully coupled fluid-structure solver and its verification and validation with different test cases. Under normal turbine operating conditions, the periodic passage of the runner moving blades in close proximity with the fixed stationary guide vanes may induce vibrations in the machine, known as rotor-stator interaction, which falls in the broader category of fluid-structure interactions (FSI) problems. When the vibration frequency approaches a natural frequency of the turbine, this interaction may lead to cracking and premature failure of the machine [1, 2, 3], and poses major challenges to designers of modern machines, which are operated on a wider range of flow conditions. While FSI phenomena have been explored for a number of years in the field of aerodynamics, this phenomenon attracts more the attention of researchers in hydraulics [4, 5]. An important difference between aerodynamics and hydraulics, with respect to FSI, relates to the influence of water as a fluid, which adds significant mass in the system, compared to air. This added mass increases the coupling between the moving fluid and the structure, which in turn impacts the damping forces [6]. Damping forces induced by flowing water are known to vary according to the fluid velocity; however, the exact relationship between water flow velocity and damping forces still constitute a significant challenge. This project aims to extend previous work by the MAGNU team on FSI simulations using a fully coupled formulation that was developed based on the FSI modeling capacities offered by the ANSYS Workbench/CFX environment [7]. As shown in this previous work, a great amount of computing time was spent exchanging data between the fluid and structure simulations, which were executed as distinct processes. A new approach is proposed in the present project, which aims to develop a fully integrated FSI solver based on OpenFOAM fluid and structural analysis capabilities. To validate the simulation results, experimental measurements realized by Andritz on a model profile will be used. The chosen test case consists of a profiled plate placed in a water tunnel and excited using piezoelectric actuators [8]. Measurements were carried out for several flow conditions and four distinct profiles with varying aspect ratios. Two types of validations will be performed, first with experimental data and also with the previously developed method based on CFX, using the fully coupled approach. To attain these objectives, the following steps have been completed: 1. Setup a structural analysis problem for a vibrating profile in order to obtain the frequencies of the first vibration modes in the absence of the fluid. This analysis has been conducted on a commercial software and has been compared to the profiled plate deformations to verify whether it vibrates at the right mode. 2. Setup and verify CFD simulations for several steady and unsteady flow conditions of the vibrating profile using OpenFOAM. Verification cases on simple geometries have been used for these analyses. 3. Couple the mechanical and fluid analysis and ensure the right data transfer at the interface. This coupling has been developed on OpenFOAM as a new solver. 4. Verify the solver with a case of immerged clamped-free beam. This verification has highlighted the influence of fluid density on the simulation stability. 5. Simulate the profiled plate deformations with application of an initial external force and observe the oscillations frequency and the hydraulic damping. Solver validation has been studied through comparison of results with available experimental measurements