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.