Étude numérique et expérimentale de la dynamique d'une bouée sous-marine à cinq degrés de liberté

Ce mémoire étudie les Interactions Fluide-Structure (IFS), et plus particulièrement les Mouvements Induits par Vortex (VIM), de bouées sous-marines à 5 Degrés De Liberté (DDL). Les bouées en question sont des bouées cylindriques retenues à leur base par un lien court, c’est-à-dire dont la longueur ne dépasse pas quelques diamètres de bouée, et soumises à un écoulement transverse. Si de telles bouées sont couramment utilisées dans l’industrie offshore, elles n’ont encore jamais été étudiées dans la littérature. Une meilleure connaissance de leur dynamique contribuerait à prévenir les accidents dont elles sont parfois victimes. Par ailleurs, ces résultats pourraient s’avérer utiles pour concevoir des dispositifs immergés de production d’énergie. Pour caractériser les VIM des bouées et identifier l’influence des différents paramètres, comme la longueur du lien ou le rapport d’aspect de la bouée, on procède à des études numériques, expérimentales et analytiques. Le début de ce mémoire est consacré au développement du code de calcul par éléments finis CADYF afin de le rendre capable de simuler une bouée à 5 DDL. Ensuite sont présentés la méthodologie et les résultats des expériences réalisées sur des modèles réduits de bouées dans une boucle hydrodynamique. Enfin, un modèle analytique basé sur l’oscillateur-sillage de Facchinetti est développé. Si les travaux sur CADYF n’ont pas permis d’obtenir des simulations numériques satisfaisantes, ils ont apporté une meilleure connaissance des limites du code de calcul et guideront ses développements ultérieurs. Les expériences ont été plus fructueuses en offrant une caractérisation pertinente du mouvement de la bouée. On y observe que la chaîne est globalement toujours alignée avec la bouée, si bien que le système ne présente que 3 degrés de liberté effectifs sur les 5 : le roulis, le tangage et le lacet de la bouée. Le mouvement de la bouée est périodique, le roulis et le lacet s’effectuent à la même fréquence, tandis que le tangage s’effectue à la fréquence double. Aucune phase d’accrochage n’est observée et la fréquence de roulis croît bien moins vite que la fréquence de Strouhal. Le modèle analytique a permis de retrouver en partie ces résultats, ce qui valide sa pertinence.

Abstract

This thesis studies the Fluid-Structure Interactions (FSI), and more specifically the Vortex-Induced Motions (VIM), of submarine cylindrical tethered buoys. Due to the tether, the buoys have only 5 Degrees Of Freedom (DOF), and are submitted to a transverse flow. The tether is short and doesn’t exceed few buoy diameters. These buoys are frequently used in offshore industry, but have never been studied in literature. A better understanding of their motion would help to prevent accidents that sometimes occur on them. Moreover, these results could be useful to design underwater energy harvesters. To characterize the VIM and understand the influence of the different parameters, as the tether length or the slenderness ratio, we perform numerical simulations, carry out experiments and develop an analytical model. The beginning of this thesis is dedicated to the development of the code CADYF in order to use it to simulate a buoy with 5 DOFs. Then are presented the methodology and the results of experiments performed in hydrodynamic loops. Eventually, an analytical model based on Facchinetti wake oscillator is developed. Developments on CADYF were not sufficient to perform satisfying simulations, but they led to a better understanding of its limits and will help future developments. Experiments led to a relevant characterization of the buoy motion. It shows that the chain is almost always aligned with the buoy, which means that the buoy has only 3 effective DOFs : roll, pitch and yaw. The buoy motion is periodic, roll and yaw have the same main frequency, which is half the pitch frequency. No lock-in range is observed, and roll frequency grows at a far lower rate than the Strouhal frequency. The analytical model was able to partially reproduce these results, which validates its relevance.