Tesis sobre el tema "Fluid-structure interaction Turbulence"

Les applications industrielles FSI se caractérisent par des géométries et des matériaux complexes. Afin de prédire avec précision leur comportement, des coûts de calcul élevés sont associés, à la fois en temps et en ressources informatiques. Pour améliorer la qualité de la prédiction sans pénaliser le temps de calcul, et pour réduire le temps de calcul sans impacter la précision disponible aujourd'hui, deux axes principaux sont explorés dans ce travail. Le premier est l'étude d'un algorithme asynchrone qui pourrait permettre l'utilisation de modèles structurels complexes. Le second consiste à étudier la méthode des tranches en combinant l'utilisation d'un modèle RANS et d'un modèle FEM non linéaire. D'une part, l'étude de l'asynchronicité dans le domaine FSI a révélé différents aspect d'intérêt qui doivent être approfondis avant que l'approche puisse être utilisée industriellement. Cependant, un premier traitement des points mentionnés ci-dessus a montré des signe d'amélioration qui pourraient conduire à un algorithme prometteur, qui se situe naturellement entre l'algorithme explicite et l'algorithme implicite. D'autre part, il a été montré que la méthode des tranches développée dans ce travail conduit à une réduction significative du temps de calcul sans dégradation de la précision
FSI industrial applications are often described by complex geometries and materials. In order to accurately predict their behavior, high computational costs are associated, both in time and in computational resources. To improve the quality of the prediction without penalizing the computational time, and to reduce the computational time without impacting the accuracy that is available today, two main axes are explored in this work. The first one is the study of an asynchronous algorithm that could allow the use of complex structural models. The second axis consists of the study of the strip method while combining the use of a RANS model and a non-linear FEM model. On the one hand, the study of asynchronicity in the FSI domain revealed different aspects of interest that must be addressed before the approach can be used industrially. However, a first treatment of the limitations found showed signs of an improvement that could lead to a promising algorithm, one that naturally lies between the implicit external algorithm and the implicit internal algorithm. On the other hand, it was shown that the strip method developed in this work achieves a significant reduction in calculation time while maintaining excellent accuracy

La prédiction des instabilités fluide-élastique qui se développent dans un faisceau de tubes est importante pour la conception des générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires, afin de prévenir les accidents liés à ces instabilités. En effet, ces instabilités fluide-élastique, ou flottements, conduisent à une fatigue vibratoire des matériaux, voire à des chocs entre les tubes, et par la suite, à des dégâts importants. Ces aspects sont d'une grande complexité pour les applications scientifiques impliquant l'industrie nucléaire. Le présent travail est issu d'une collaboration entre l'EDF, le CEA et l'IMFT. Elle vise à améliorer la simulation numérique de cette interaction fluide- structure dans le faisceau de tubes, en particulier dans la gamme de paramètres critiques favorisant l'apparition d'un amortissement négatif du système et de l'instabilité fluide-élastique
The prediction of fluid-elastic instabilities that develop in a tube bundle is of major importance for the design of modern heat exchangers in nuclear reactors, to prevent accidents associated with such instabilities. The fluid-elastic instabilities, or flutter, cause material fatigue, shocks between beams and damage to the solid walls. These issues are very complex for scientific applications involving the nuclear industry. This work is a collaboration between EDF, CEA and IMFT. It aims to improve the numerical simulation of the fluid-structure interaction in the tube bundle, in particular in the range of critical parameters contribute to the onset of damping negative system and the fluid-elastic instability

Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de produire l'écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomotion. Cette thèse est placée dans ce contexte interdisciplinaire et utilise des simulations numériques pour étudier ces problèmes d'interaction fluides-structure, et les applique au vol des insectes et à la nage des poissons. Basée sur les travaux existants sur les obstacles mobiles rigides, une méthode numérique a été développée, permettant également la simulation des obstacles déformables et fournissant une polyvalence et précision accrues dans le cas des obstacles rigides. Nous appliquons cette méthode d'abord aux insectes avec des ailes rigides, où le corps et d'autres détails, tels que les pattes et les antennes, peuvent être inclus. Après la présentation de tests de validation détaillée, nous procédons à l'étude d'un modèle de bourdon dans un écoulement turbulent pleinement développé. Nos simulations montrent que les perturbations turbulentes affectent les insectes volants d'une manière différente de celle des avions aux ailes fixées et conçues par l'humain. Dans le cas de ces derniers, des perturbations en amont peuvent déclencher des transitions dans la couche limite, tandis que les premiers ne présentent pas de changements systématiques dans les forces aérodynamiques. Nous concluons que les insectes se trouvent plutôt confrontés à des problèmes de contrôle dans un environnement turbulent qu'à une détérioration de la production de force. Lors de l‘étape suivante, nous concevons un modèle solide, basé sur une équation de barre monodimensionnelle, et nous passons à la simulation des systèmes couplés fluide–structure
Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce the fluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complex geometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisciplinary context and uses numerical simulations to study these fluid--structure interaction problems with applications in insect flight and swimming fish. Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourier discretization, a numerical method has been developed, which allows the simulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced versatility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on the volume penalization method and the fluid discretization is still based on a Fourier discretization. We first apply this method to insects with rigid wings, where the body and other details, such as the legs and antennae, can be included. After presenting detailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fully developed turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbations affect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing aircrafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in the boundary layer, the former do not present systematical changes in aerodynamic forces. We conclude that insects rather face control problems in a turbulent environment than a deterioration in force production. In the next step, we design a solid model, based on a one--dimensional beam equation, and simulate coupled fluid--solid systems

La présente thèse étudie par simulation numérique et analyse physique les effets du morphing électroactif pour le design des ailes du futur permettant de réduire l’impact environnemental et d’accroître l’efficacité du transport aérien. La thèse examine les effets du morphing électroactif hybride. Ce concept consiste en une association de diverses classes d’actionneurs électroactifs opérant à des échelles de temps et de longueur multiples, en accord avec la dynamique du spectre turbulent et dans un contexte de bio-inspiration concernant l’actionnement des ailes, ailerons et plumes de grands oiseaux prédateurs. Le morphing électroactif hybride crée des modifications de la turbulence à de multiples échelles dans les zones cisaillées et le sillage proche et crée l’augmentation des performances aérodynamiques par l’action de mécanismes de rétroaction. La thèse effectue des simulations numériques à nombre de Reynolds élevé autour de configurations de profils d’aile et d’ailes d’avion supercritiques dans les régimes du bas subsonique correspondant aux phases du décollage et atterrissage, et transsonique correspondant au vol de croisière. Toutes les simulations sont effectuées par le code NSMB (Navier Stokes MultiBlock), en utilisant des approches de modélisation de la turbulence efficaces, permettant de prédire en accord avec les expériences physiques, le développement d’instabilités et de structures cohérentes gouvernant la dynamique des écoulements. Dans ce contexte, l’approche « Organized Eddy Simulation » (OES) a été employée et améliorée par des concepts de cascade inverse utilisant de la réinjection de la turbulence dans les zones fortement cisaillées. Cette méthode, basée sur un forçage stochastique des équations de transport turbulent a été étendue dans la présente thèse aux trois dimensions et ses bénéfices ont été quantifiés concernant l’évaluation des efforts aérodynamiques et le développement d’instabilités fluide. Les avantages de cette approche, qui a été introduite par ailleurs au sein de la « Detached Eddy Simulation », ont été étudiés concernant la prédiction du tremblement en régime transsonique et de l’interaction choc-couche limite. Les régimes du bas subsonique concernent les écoulements autour de profils et d’ailes de type A320 en configurations statiques et en morphing et sont étudiés en utilisant l’approche de modélisation OES également. Le morphing de la région proche du bord de fuite à l’aide de faibles déformations et de vibrations de fréquences dans le rang de 100-400 Hz a été étudié en synergie avec des résultats expérimentaux du projet Européen H2020 N° 723402 SMS : « Smart Moprhing and Sensing for Aeronautical configurations ». A l’aide d’une étude paramétrique détaillée, il a été mis en évidence que des combinaisons optimales de fréquence-amplitude de ces actionnements fournissent une augmentation drastique de la finesse aérodynamique. Ces effets ont été obtenus à l’aide de manipulation de la dynamique des interfaces « Turbulent - Non Turbulent » (TNT) et des interactions avec les interfaces « Turbulent- Turbulent » (TT). De plus, cette thèse a développé un modèle structural efficace permettant le contrôle de forme par des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Ces actionneurs permettent d’obtenir de grandes déformations à de basses fréquences en appliquant une grande cambrure de l’aile pour augmenter la portance et pour adapter la forme de l’aile aux différentes sollicitations aérodynamiques. La présente thèse propose un modèle efficace pour obtenir des formes-ciblées de configurations aérodynamiques utilisant des AMF embarqués. Un nouvel algorithme robuste a été développé et validé pour prédire la réponse non-linéaire de l’interaction AMF-structure. Cet algorithme a été couplé avec une méthode de prédiction de la structure et des paramètres opérationnels optimaux pour le design, fournissant ainsi des architectures de morphing plus performantes et réduisant l’impact environnemental
The present thesis investigates the effects of electroactive morphing for smart wing designs. Morphing concepts are adopted for future aircraft configurations, targeting increased aerodynamic performance, ``greener'' air vehicles and efficient air transport. Morphing airfoils and wings are investigated by means of numerical simulation and the physical mechanisms of morphing are analyzed. The hybrid, partly bio-inspired electroactive morphing is examined. The hybrid concept entails the combination of different classes of electroactive actuators that yield turbulence modifications at multiple scales when realized simultaneously. Shape Memory Alloys (SMA) providing large-amplitude low-frequency deformations and piezoactuators providing low strains at higher frequency are introduced. High Reynolds number calculations around supercritical wings in low-subsonic and transonic regimes are performed and experimental results are employed for a detailed physical analysis. The flow simulations are carried out using the NSMB (Navier Stokes MultiBlock) solver and efficient turbulence modelling approaches, allowing for a physically correct development of related instabilities and coherent structures. In this context, the Organized Eddy Simulation (OES) approach has been improved to account for upscale energy transfers in strongly sheared flow regions through re-injection of turbulence. This novel approach, based on stochastic forcing of the turbulence transport equations, is extended in the present thesis to threedimensional flows and applied to the study of the transonic flow. The approach is also examined in the context of Detached Eddy Simulations (DES). The stochastic forcing is proven to inhibit excessive turbulence diffusion effects. As a result, the transonic buffet and the Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI) are better captured with this approach. An increase of lift and a decrease of drag are obtained and the force predictions are improved as shown through comparisons with experimental results. The stochastic forcing effects can be practically realized with the introduction of higher-frequency vibrations and low-amplitude deformations in the near trailing edge region of wings via piezoactuators. The morphing effects are examined on an A320 wing at a Reynolds number of 1 Million in the low-subsonic regime, corresponding to takeoff/ landing flight phases. The simulations used the OES approach and the analysis employed a large experimental database, obtained in the context of the ``Smart Moprhing and Sensing for Aeronautical configurations'' (SMS) H2020 No 723402 European Research program. It is shown that electroactive morphing has the capacity to enhance the aerodynamic performance through lift increase and drag reduction. The aerodynamic enhancement is obtained as a result of the manipulation of turbulence interfacial dynamics interacting with the structure of the wing. Through an extensive parametric study, optimal frequency-amplitude combinations have been determined, able to increase the lift-to-drag ratio. Furthermore, the present thesis discusses shape control with the use of SMA, introduced to morphing structures inspired by the wings of large-span hunting birds. SMA-based actuators are employed to produce large continuous deformation at low frequencies (order of Hz), adapting the aerodynamic profiles to different flight conditions. The thesis proposes an efficient methodology that allows design smart deformable aeronautical structures, able to achieve pre-defined target shapes. A novel robust algorithm for predicting the nonlinear response of the SMA-structure interaction problem has been developed and validated. The solver is coupled with a method that predicts the optimal structural and operational design parameters to produces safe and ``green'' morphing structures

Les fluctuations thermiques présentes dans les tés de mélange provoquent des contraintes thermiques qui peuvent mener à l'apparition de fissures qui se propagent plus ou moins rapidement dans la structure. Une possibilité pour réduire ces risques est d'installer des mélangeurs statiques (statics mixers) pour accroître le mélange. Une telle technologie a été utilisée par Utveckling AB depuis 1980 dans des installations nucléaires. Toutefois, ces technologies sont très coûteuses. C'est pour cette raison que plusieurs investigations numériques ont été faites pour prédire les fluctuations de température causées par le mélange turbulent dans cette configuration d'écoulement. On effectue la simulation numérique de l'écoulement sur deux types de té de mélange. L'un avec des bords droits et une paroi en Plexiglas, et l'autre avec des bords arrondis et une paroi en inox 304L. Dans le premier cas la condition de paroi est adiabatique et dans le second cas on effectue un couplage entre le code CFD (Computational Fluid Dynamic) Code_Saturne et le code SYRTHES pour l'analyse de la température dans le solide. L'apport principal de la thèse est la détermination des statistiques temporelles d'ordre élevé dans une configuration aussi complexe. En effet, les équations de transport de l'énergie cinétique turbulente, de la variance de la température et des flux thermiques turbulents sont déterminées dans les deux configurations (adiabatique et avec des parois en inox), ce qui montre l'influence de la paroi sur le transfert de chaleur en région proche paroi
Thermal fluctuations present in mixing tees cause thermal stresses that can lead to the appearation of cracks, which spread more or less quickly in the structure. One possibility to reduce these risks is to set static mixers (statics mixers) to increase the mixture. Such technology has been used by Utveckling AB since 1980 in nuclear installations. However, these technologies are very expensive. It is for this reason that many numerical investigations have been made to predict temperature fluctuations caused by turbulent mixing in this configuration flow. The resolution of the conservation equations is made with a finite volume approach using large eddy simulation or LES . The subgrid models used are Smagorinsky, WALE (Wall Adapted Local Eddy) and dynamic Smagorinsky. The SGDH model (Simple Gradient Di? Usion Hypothesis) is used for modeling greeting thermal subgrid and the turbulent Prandtl number is fixed one. Generation turbulence input field is made using the SEM method (Synthetic Eddy Method). The main contribution of this thesis is the determination of time turbulent statistic in a complex configuration. Indeed, the transport equations of turbulent kinetic energy, temperature variance and turbulent heat flux are determined in both configurations (adiabatic walls and stainless steel), which shows the influence of the wall on heat transfer in near-wall region

Pour améliorer la conception des turbomachines, les industriels doivent appréhender des phénomènes aéroélastiques complexes présents dans les compresseurs comme les cycles limites d’interaction fluide-structure des fans. La compréhension et la modélisation de ces phénomènes impliquent de développer des modèles numériques complexes intégrant des phénomènes multi-physique et de valider ces modèles à l’aide de bancs d’essais. Le banc d’essai du compresseur CREATE est instrumenté pour étudier des instabilités aérodynamiques couplées à des vibrations, notamment sur le rotor du premier étage, et permet de valider des modèles numériques. La modélisation de l’écoulement en amont du premier étage du compresseur à l’aide du logiciel Turb’Flow, développé pour l’étude des écoulements dans les compresseurs aéronautiques, a permis de mettre en évidence l’importance des conditions limites d’entrée pour l’obtention de résultats précis. En particulier, il a été possible de modéliser correctement l’ingestion d’une alimentation non-homogène en entrée de la roue directrice d’entrée. Ce phénomène peut se produire en amont des fans et interagir avec un mode de la structure. Une stratégie de couplage partitionné fort explicite dans le domaine temporel a été introduite dans le logiciel Turb’Flow. Comme cette méthode présente un risque de décalage temporel à l’interface fluide-structure, une attention particulière a été portée à la modélisation de la conservation de l’énergie à cette interface. La conservation de l’énergie à l’interface est cruciale quand les déplacements sont importants et quand un comportement non-linéaire fort apparaît entre le fluide et la structure (onde de choc et amortissement structurel nonlinéaire). Parallèlement au développement du module aéroélastique, le schéma implicite de Runge- Kutta d’ordre 3 en temps (RKI-3) a été développé et évalué sur un cas de dynamique (vibration d’une aube de turbine transsonique) et sur un cas de propagation d’onde de choc. L’utilisation du schéma RKI-3 permet d’augmenter, à iso-précision, d’un ordre le pas de temps par rapport aux schémas de Gear et de Newmark. S’il apporte un gain en temps CPU pour l’étude de la dynamique des structures, il est pénalisant dans le cadre de simulation URANS. Cependant, le schéma RKI-3 est utilisable dans le cadre de simulations couplées fluide-structure
To increase turbomachinery design, manufacturers have to comprehend complex aeroelastic phenomena involving compressors like fluid-structure interaction limit cycles of fans. The understanding and the modeling of these phenomena involve developing complex solvers coupling techniques and validating these techniques with bench tests. The bench test of the CREATE compressor is instrumented to study the coupling between aerodynamic instabilities and structure vibration, in particular on the first stage rotor, and allows to validate numerical techniques. The flow modeling upstream to the first stage with the Turb’Flow flow solver (targeting turbomachinery applications) shows that, to have accurate results, inlet limit conditions must take into account. The ingestion of non-homogeneous flow upstream to the inlet guide vane is accurately modeled. This phenomenon can appear upstream to fans and interact with structure Eigen-modes. Explicit partitioned strong coupling considered in time domain was implemented in a Turb’Flow flow solver. As there is a risk of time shift at the fluid-structure interface, careful attention should be paid to energy conservation at the interface. This conservation is crucial when displacements are large and when strong non-linear behaviors occur in both fluid and structure domains, namely shock waves, flow separations and non-linear structural damping. In parallel with coupling technique development, the three-order implicit Runge-Kutta scheme (RKI-3) was implemented and validated on a structure dynamic case (transonic turbine blade vibration) and on a case of shock waves propagation. The RKI-3 scheme allows increasing the time step of one order of magnitude with the same accuracy. There is a CPU time gain for structure dynamics simulations, but no for URANS simulations. However, the RKI-3 scheme can be to use for fluid-structure coupling simulations. The coupling technique was validated on a test case involving tube in which the shock wave impinges on a cross flow flexible panel, initially at rest. This case allows modeling an interaction between sonic flow and a panel movement with a tip clearance. Some numerical simulations were carried out with different temporal schemes. The RKI-3 scheme has no influence on results (compared with Gear and/or Newmark scheme) on the energy conservation at the fluid-structure interface. Compared to experimental results, pressure is in fairly good ix Liste des publications agreement. The analysis of numerical results highlighted that a vertical shock tube with up and down waves creates pressure fluctuation. Frequency is under predicted and amplitude is not in fairly good agreement. The panel root modeling might be questionable

Le domaine de l'interaction fluide-structure regroupe l'étude de tous les phénomènes présentant le couplage du mouvement d'une structure avec celui d'un fluide. La gamme des phénomènes étudiés est très étendue, allant de l'étude de cylindres vibrants dans des écoulements comme c'est le cas dans l'industrie nucléaire, à des structures vibrantes dans des écoulements turbulents, en passant par des phénomènes de surface libre dans des réservoirs. Cependant, la complexité des phénomènes étudiés se répercute par des coûts de calculs prohibitifs, ce qui nous amène à rechercher des modèles réduits dont le temps de calcul serait plus réaliste. Dans cette thèse, on va présenter les différents modèles d'interaction fluide-structure et on va mettre en avant le modèle adopté dans notre étude. La réduction du modèle ainsi que l'optimisation des structures vont être introduites dans un contexte de couplage. En introduisant les incertitudes, l'étude fiabiliste de même qu'une approche d'optimisation basée fiabilité vont être proposées. Les différentes méthodologies adoptées vont être validées numériquement et comparées expérimentalement
The domain of the fluid-structure interaction includes the study of all phenomena presenting the coupling of the motion of a structure with the one of a fluid. The range of the phenomena being studied is very extensive, going from the study of vibrating cylinders in the flow as is the case in the nuclear industry, to vibrating structures in turbulent flows, through the free surface phenomena in reservoirs. However, the complexity of the phenomena studied is reflected by the cost of the prohibitive calculations, which leads us to look for models with the computation time would be more realistic. In this thesis, we will present different models of fluid-structure interaction and we will put forward the model adopted in our study. Reducing the model as well as the optimization of the structures will be introduced into a coupling setting. By introducing uncertainties, the reliability study as well as an optimization based reliability approach will be proposed. The different methodologies adopted will be validated numerically and experimentally compared

The marine current turbine (MCT) is an exciting proposition for the extraction of renewable tidal and marine current power. However, the numerical prediction of the performance of the MCT is difficult due to its complex geometry, the surrounding turbulent flow and the free surface. The main purpose of this research is to develop a computational tool for the simulation of a MCT in turbulent flow and in this thesis, the author has modified a 3D Large Eddy Simulation (LES) numerical code to simulate a three blade MCT under a variety of operating conditions based on the Immersed Boundary Method (IBM) and the Conservative Level Set Method (CLS). The interaction between the solid structure and surrounding fluid is modelled by the immersed boundary method, which the author modified to handle the complex geometrical conditions. The conservative free surface (CLS) scheme was implemented in the original Cgles code to capture the free surface effect. A series of simulations of turbulent flow in an open channel with different slope conditions were conducted using the modified free surface code. Supercritical flow with Froude number up to 1.94 was simulated and a decrease of the integral constant in the law of the wall has been noticed which matches well with the experimental data. Further simulations of the marine current turbine in turbulent flow have been carried out for different operating conditions and good match with experimental data was observed for all flow conditions. The effect of waves on the performance of the turbine was also investigated and it has been noticed that this existence will increase the power performance of the turbine due to the increase of free stream velocity.

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de la présence d'obstacles dans les passes à poissons à fentes verticales. Deux types d'éléments sont couramment insérés, à l'heure actuelle, dans les passes : les seuils et les macro-rugosités. Dans un premier temps, l'effet de ces deux dispositifs à la fois sur l'écoulement et sur le comportement des poissons est étudié. Dans le but de favoriser le passage des petites espèces à travers le dispositif de franchissement, une solution technique est ensuite proposée, sous la forme de plusieurs rangées de cylindres flexibles placées en sortie de fente. La caractérisation du comportement hydraulique d'une passe à poissons équipée de ces obstacles est effectuée par des mesures expérimentales de niveau d'eau à l'aide de sondes acoustiques et des mesures de vitesses tridimensionnelles avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV). La base de données générée par ces mesures est ensuite utilisée pour définir une loi de dimensionnement, qui prend en compte les paramètres influençant le fonctionnement hydraulique de l'ouvrage en vue d'améliorer sa conception. Les simulations numériques 3D instationnaires URANS et LES de l'écoulement permettent une analyse volumique fine des grandeurs caractéristiques de la turbulence qui règne dans les bassins en fonction du type d'obstacle inséré. En obstruant une partie de la fente, la présence d'un seuil accentue la tridimensionnalité de l'écoulement tandis que les macro-rugosités créent une zone de plus faible vitesses et des abris utilisables par les espèces de fonds. L'insertion des structures souples permet une meilleure dissipation de l'énergie du jet et réduit l'énergie cinétique turbulente dans une partie du volume des bassins. Les manipulations réalisées avec différentes espèces de poissons, permettent de mieux comprendre l'effet de la modification des grandeurs cinématiques de l'écoulement, par l'insertion d'obstacles, sur le comportement des poissons pour pouvoir adapter les passes à poissons existantes aux espèces dotées de faibles capacités de nage
The aim of this work is to characterize the influence of two kinds of obstacles, sills and macro-roughnesses, on the flow inside a vertical slot fishway (VSF) and the behavior of several species of fish. Another objective is to study a technical solution to allow the passage of small fish species, which take the form of flexible cylinders placed in the jet at the entrance of each pool of the VSF. A hydraulic characterization is made by experimental measurements of the water level in each pool with acoustic sensors and by measurements of three-dimensional velocity components with an acoustic Doppler velocimeter (ADV). The data acquired by these measurements are then used to define a predictive law that takes into account the presence of sills or macro-roughnesses, to help the design of devices that are as efficient as possible. Unsteady RANS and LES three-dimensional numerical simulations of the flow allow performing a careful volume analysis of the turbulence characteristics inside the pools when obstacles are presents in the flow. By obstructing a part of the slot, sills enhance the three-dimensionality of the flow while macro-roughnesses generate a low velocity layer and shelters for benthic species. Flexible elements produce a better dissipation of the energy of the jet and reduce the turbulent kinetic energy in a part of the volume of the pools. The effect of the modification of the flow kinematic properties, by the presence of obstacles, on the behavior of various fish species is evaluated. It provides important insights on how to adapt the flow in existing fishways to fish species with low swimming capacity

Esta tese apresenta o desenvolvimento e aplicação de modelos de turbulência, transição laminar-turbulenta e de interações fluido-estrutura ao escoamento externo em cilindro rígido estacionário e em vibrações induzidas por vórtices. Tais desenvolvimentos foram realizados no código ReFRESCO, baseado em técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Realizou-se um estudo quanto ao desempenho do modelo k- SST em extensa faixa de números de Reynolds, segundo o qual se identificaram as deficiências de modelagem para este escoamento. A modelagem adaptativa das escalas (SAS) e o modelo de transição por correlações locais (LCTM), ambos combinados ao SST, melhoraram a aderência aos resultados experimentais para este escoamento, em uma contribuição original deste trabalho. A aplicação de técnicas de verificação e validação possibilitou a estimação de incertezas e erros para os modelos e números de Reynolds e também de identificada como outra contribuição deste trabalho. A combinação da modelagem em SST, SAS e LCTM com movimentos impostos de realizada para números de Reynolds moderados, diferentes frequências e amplitudes de vibração, algo que poucas publicações abordam em detalhes. Com relação aos movimentos livres, este trabalho traz contribuições com a aplicação dos modelos SST e SAS ao estudo de vibrações induzidas por vórtices em dois graus de liberdade, baixa razão de massa e números de Reynolds moderados, mais altos do que normalmente observados na literatura. Por fim, a investigação da importância relativa de efeitos da turbulência aos casos de movimentos livres e impostos, com relação ao caso de cilindro estacionário, comprovou a conjetura formulada na parte inicial deste trabalho, no que tange à escolha do modelo de turbulência em determinadas aplicações. Tal escolha mostrou-se menos decisiva no caso do cilindro em movimento imposto e ainda menos nos movimentos livres, em comparação ao caso estacionário, uma vez que a resposta em movimentos do corpo filtra grande parte dos efeitos turbulentos de ordem superior. Esta observação mostra-se relevante, uma vez que pode permitir simplificações na modelagem e aplicação de ferramentas de CFD em uma classe importante de projetos de engenharia.
This thesis presents the development, implementation and application of turbulence and laminar-turbulent transition models and fuid-structure capabilities to address the vortexshedding and vortex-induced vibrations of a rigid cylinder. These numerical developments have been carried out in the computational fuid dynamics (CFD) code ReFRESCO. In the current work, an investigation of the performance of the turbulence modeling with k- SST in a broad range of Reynolds numbers is carried out identifying its modeling deficiencies for this fow. The implementation and systematic application of the scale adaptive simulations (SAS) and the local correlation transition model (LCTM), both combined with the SST, have improved the agreement with experimental results for the cylinder ow, in a novel contribution of this work. The application of verification and validation technique has allowed the estimation of numerical errors and uncertainties for the diferent models. That is also identified as a contribution of this thesis. The combination of SST modeling with imposed motions is carried out as well as with the SAS and LCTM for moderate Reynolds numbers, diferent vibration frequencies and amplitudes, which is considered novel, as few publications address this issue in extent. Regarding the free-moving cylinder capabilities, the present work brings contributions with the application of SST and SASSST with free-moving cylinder for the study of VIV of two degrees of-freedom, low mass ratio and moderate Reynolds numbers, higher than commonly seen in the literature. Finally, the investigation of the relative importance of turbulence effects on the freemoving cylinder and the imposed-motions case, with respect to the fixed case is carried out. A natural conjecture that has been raised early on this work and proved correct is that, for engineering applications, the choice of turbulence modeling strategy is less decisive when the cylinder is moving with prescribed motion and even less stringent, for free motions as the body response filters most of the higher order turbulence effects. That is a relevant observation as it might allow modeling simplifications and the application of CFD tools to a range of engineering problems.

Le sujet de la thèse est le développement d'un outil numérique qui permet de modéliser l'écoulement autour des pales d'éoliennes. Nous nous sommes intéressés à la résolution des équations de Navier-Stokes en incompressible sur des maillages de type octree où les échelles plus petites en proche parois ont été modélisées par la méthode dite des wall functions. Un procédé d'adaptation automatique du maillage (AMR) a été développé pour affiner le maillage dans les zones où la vorticité est plus importante. Le modèle de structure d'une pale d'éolienne a été également implémenté et couplé avec le modèle fluide car une application de l'outil numérique est l'étude des effets des rafales de vent sur les pales d'éolienne. Un travail expérimental a été mené sur une éolienne avec une mesure de vent en amont. Ces données permettent ainsi de calibrer et valider les modèles numériques développés dans la thèse
The subject of the thesis is the development of a numerical tool that allows to model the flow around wind blades. We are interested in the solving of incompressible Navier-Stokes equations on octree grids, where the smallest scales close to the wall have been modelled by the use of the so-called Wall Functions. An automatic Adaptive Mesh Refinement (AMR) process has been developed in order to refine the mesh in the areas where the vorticity is higher. The structural model of a real wind blade has also been implemented and coupled with the fluid model. Indeed, an application of the numerical tool is the study of the effects of wind gusts on blades. An experimental work has been conducted with an in-service wind turbine with the measurement of wind speed upstream. This data will allow to calibrate and validate the numerical models developed in the thesis

La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. A partir d'un solveur développé au sein de l'équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l'intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d'état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l'introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d'une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l'effet des ouvrants (dans les phases d'ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d'analyse.

O objetivo deste trabalho é estudar e desenvolver procedimentos numéricos adequados para a análise de problemas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). O escoamento é analisado a partir das equações de Navier-Stokes para um fluido Newtoniano e de uma equação de conservação de massa considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade, ambas em um processo isotérmico. Na presença de escoamentos turbulentos emprega-se a Simulação de Grandes Escalas (“LES”) com os modelos clássico e dinâmico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha. Dois modelos numéricos de Taylor-Galerkin para a análise do escoamento são estudados: o esquema explícito de dois passos e o esquema explícito-iterativo. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é empregado para a discretização do domínio espacial utilizando o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com integração reduzida das matrizes em nível de elemento. Em problemas envolvendo efeitos de interação fluido-estrutura emprega-se um esquema de acoplamento particionado com características superiores de conservação, permitindo, inclusive, o uso de subciclos entre as análises do fluido e da estrutura e de malhas não compatíveis na interface. A estrutura é considerada como um corpo deformável constituído de um material elástico linear com a presença de nãolinearidade geométrica. O MEF é também usado para a discretização da estrutura, empregando-se para tanto o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com integração reduzida e controle de modos espúrios. A equação de equilíbrio dinâmico é integrada no tempo utilizando o método implícito de Newmark no contexto do método de estabilização α- Generalizado. Na presença de estruturas deformáveis, o escoamento é descrito através de uma formulação arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE). Ao final, comparações com exemplos numéricos e experimentais são apresentadas para demonstrar a viabilidade dos algoritmos desenvolvidos, seguindo-se com as conclusões do trabalho e as sugestões para trabalhos futuros.
Analysis and development of numerical tools to simulate Computational Wind Engineering (CWE) problems is the main goal of the present work. The isothermal flow is analyzed using the Navier-Stokes equations for viscous fluids and a mass conservation equation obtained according to the pseudo-compressibility assumption. Turbulent flows are simulated employing Large Eddy Simulation (LES) with the classical and dynamic Smagorinsky’s models for subgrid scales. Two Taylor-Galerkin models for the flow analysis are investigated: the explicit two-step scheme and the explicit-iterative scheme. The Finite Element Method (MEF) is employed for spatial discretizations using the eight-node hexahedrical isoparametric element with one-point quadrature. Fluid-structure interaction problems are analyzed with a coupling model based on a conservative partitioned scheme. The Finite Element Method (MEF) is employed for spatial discretizations using the eight-node hexahedrical isoparametric element with one-point quadrature. Fluid-structure interaction problems are analyzed with a coupling model based on a conservative partitioned scheme. Subcycling and nonmatching meshes for independent discretizations of the fluid and structure domains are also available. The structure is considered as a deformable body constituted by a linear elastic material with geometrically nonlinear effects. The FEM is used for the spatial discretization of the structure as well. Eight-node hexahedrical isoparametric elements with one-point quadrature and hourglass control are adopted in this process. The implicit Newmark algorithm within the framework of the α-Generalized method is employed for the numerical integration of the dynamic equilibrium equation. An arbitrary Lagrangean-Eulerian (ALE) description is adopted for the kinematic description of the flow when deformable structures are analyzed. Numerical and experimental examples are simulated in order to demonstrate the accuracy of the developed algorithms. Concluding remarks and suggestions for future works are pointed out in the last chapter of the present work.

Le contrôle d'écoulements turbulents est un enjeu majeur en aérodynamique. Cependant, la présence d'un grand nombre de degrés de libertés et d'une dynamique complexe rend délicat la modélisation dynamique de ces écoulements qui est pourtant nécessaire à la conception d'un contrôle efficace. Au cours de cette thèse, différentes directions ont été suivies afin de développer des modèles réduits dans des configurations réalistes d'écoulements et d'utiliser ces modèles pour le contrôle.Premièrement, la décomposition en modes dynamiques (DMD), et certaines de ses variantes, ont été exploitées en tant que base réduite afin d'extraire au mieux le comportement dynamique de l'écoulement. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l'assimilation de données 4D-Var qui permet de combiner des informations inhomogènes provenant d'un modèle dynamique, d'observations et de connaissances a priori du système. Nous avons ainsi élaboré des modèles réduits POD et DMD d'un écoulement turbulent autour d'un cylindre à partir de données expérimentales PIV. Finalement, nous avons considéré le contrôle d'écoulement dans un contexte d'interaction fluide/structure. Après avoir montré que les mouvements de solides immergés dans le fluide pouvaient être représentés comme une contrainte supplémentaire dans le modèle réduit, nous avons stabilisé un écoulement de sillage de cylindre par oscillation verticale
Control of turbulent flows is still today a challenge in aerodynamics. Indeed, the presence of a high number of active degrees of freedom and of a complex dynamics leads to the need of strong modelling efforts for an efficient control design. During this PhD, various directions have been followed in order to develop reduced-order models of flows in realistic situations and to use it for control. First, dynamic mode decomposition (DMD), and some of its variants, have been exploited as reduced basis for extracting at best the dynamical behaviour of the flow. Thereafter, we were interested in 4D-variational data assimilation which combines inhomogeneous informations coming from a dynamical model, observations and an a priori knowledge of the system. POD and DMD reduced-order models of a turbulent cylinder wake flow have been successfully derived using data assimilation of PIV measurements. Finally, we considered flow control in a fluid-structure interaction context. After showing that the immersed body motion can be represented as an additional constraint in the reduced-order model, we stabilized a cylinder wake flow by vertical oscillations

Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence ce modèle d'interprétation. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées
Erosion mechanisms are the main cause of hydraulic failure in embankments. Therefore, the resistance of soils to erosion must be quantified. To this hand, several devices are used such as the Jet Erosion Test (JET), whose model of interpretation is strongly empirical. The aim of this study is to determine the relevance of the interpretation model of the JET. For this purpose, a 2D Navier-Stokes numerical model of erosion of cohesive soils by a turbulent flow has been proposed. We first developed and implemented an interface movement model, whose input parameters are the erosion parameters found experimentally by JET test. Then, the scour depth evolutions obtained numerically for three JET test cases are compared to experimental data. Good agreement is obtained. A parametric study has also been conducted to validate the accuracy of the numerical results. These results contribute to the validation of the JET interpretation model. To extend its domain of application, we applied the numerical model to concentrated leak erosion during Hole Erosion Tests (HET). Three HET were modeled and, here again, our numerical results are in satisfactory agreement with the experimental results from the tests. An analysis of the erosion law and erosion parameters obtained with JET and HET was finally initiated. The potential influence of the flow incidence angle on the erosion efficiency was underlined

Cette thèse étudie essentiellement des phénomènes touchant au domaine aéronautique et spatial. Elle traite l'examen par simulations numériques des écoulements dans les tuyères de moteur fusée, les écoulements d'arrière-corps, et les écoulements dans les entrées d'air supersoniques. La motivation principale de ce travail a été de comprendre les différents facteurs qui gouvernent ces écoulements. Le mémoire est organisé en huit chapitres et aborde successivement les modèles mathématiques, leur intégration numérique et l'exploitation des résultats obtenus dans un but de compréhension des phénomènes physiques rencontrés dans des configurations d'écoulements pratiques. Faisant suite au chapitre 1, introductif au contenu de la thèse, le chapitre 2 est consacré au développement des modèles physiques et mathématiques. Le chapitre 3 décrit la méthode numérique utilisée. Le chapitre 4 traite le problème délicat des conditions aux limites. Le chapitre 5, quant à lui, étudie le décollement de jets dans les tuyères de moteurs fusées. L'attention est portée sur les phénomènes apparaissant à l'intérieur de la tuyère (position du point de décollement, développement des structures tourbillonnaires à l'amorçage de la tuyère, apparition du phénomène de réflexion de Mach). Le chapitre 6 est consacré à l'étude détaillée des écoulements d'arrière-corps. Le chapitre 7 concerne les interactions de chocs, en particulier les transitions possibles entre réflexion régulière et réflexion de Mach. Le document se termine par une conclusion générale qui fait l'objet du chapitre 8 et reprend les objectifs du travail et les principaux résultats obtenus.

This thesis presents a numerical method for the simulation of fluid-structure interaction (FSI) problems on high-performance computers. The proposed method is specifically tailored to interactions between Newtonian fluids and a large number of slender viscoelastic structures, the latter being modeled as Cosserat rods. From a numerical point of view, such kind of FSI requires special techniques to reach numerical stability. When using a partitioned fluid-structure coupling approach this is usually achieved by an iterative procedure, which drastically increases the computational effort. In the present work, an alternative coupling approach is developed based on an immersed boundary method (IBM). It is unconditionally stable and exempt from any global iteration between the fluid part and the structure part. The proposed FSI solver is employed to simulate the flow over a dense layer of vegetation elements, usually designated as canopy flow. The abstracted canopy model used in the simulation consists of 800 strip-shaped blades, which is the largest canopy-resolving simulation of this type done so far. To gain a deeper understanding of the physics of aquatic canopy flows the simulation data obtained are analyzed, e.g., concerning the existence and shape of coherent structures.

Les travaux présentés s’intéressent à la réponse vibratoire et au champ acoustique émis par une structure immergée et excitée par une couche limite turbulente, dans le domaine des bas nombres d’ondes et pour un nombre de Mach faible. Ce travail s’inscrit dans la problématique d’amélioration de laprédiction du bruit rayonné dans ce type de configurations, et peut trouver son application à la discrétion acoustique des navires, ou à la caractérisation du bruit rayonné par des structures externes excitées par un écoulement.Numériquement, une analyse modale de la réponse de la structure en formulation (u,p,φ) est réalisée à l’aide du code élément finis Code_Aster. L’excitation est modélisée par une somme d’ondes planes de pression dont la densité spectrale est obtenue à partir des modèles d’excitation pariétale disponibles dans la littérature. Une analyse harmonique sur base modale est réalisée pour chaque cas de chargement.Cette approche permet la prise en compte du couplage fluide-structure dans le cas d’un fluide lourd et présente l’avantage de s’affranchir des hypothèses généralement faites, de fluide léger et d’orthogonalité des déformées modales.Les résultats issus de la modélisation numérique sont comparés à des données expérimentales, concernant le comportement vibratoire d’un dispositif constitué d’une plaque plane excitée par un écoulement généré en tunnel hydrodynamique. Les résultats numériques et expérimentaux observés sont proches,qu’il s’agisse du comportement global, du niveau spectral moyen en déplacement ou du niveau de pression acoustique mesuré. En complément, l’influence de défauts, constitués de marche montantes et descendantes de hauteur inférieure à l’épaisseur de la couche limite, sur l’excitation et la réponse de la structure est explorée expérimentalement
The following work consist in the study of the vibroacoustic response of a structure submerged in fluid, under a turbulent boundary layer flow, the response of the structure is driven by the low wavenumber behaviour, for a small Mach number. This work aims at providing better means of predicting the noise radiated in such setups, mainly regarding stealthiness of ships and submarines and noise radiated by outer structures.A numerical modal analysis based on the (u,p,φ) formulation available in the finite element software Code_Aster is performed. The pressure induced by the boudary layer is then described as a sum of plane waves and several harmonical analysis are performed on the reduced problem, projected on the (u,p,φ) modal basis, one for each term of the sum. This allows us to account for the fluid-structure interaction (inertial and acoustic) in confined and infinite fluid domains. Most numerical models found in scientific papers are making the assumption of a light fluid, or a fluid loaded plate, thus not taking clearly into account the fluid-strucure interaction or only the inertialpart. Here the interaction due to the acoustic field radiated by the plate is fully accounted for.The validity of the proposed numerical method is assesed and numerical results are compared to data obtained from an experimental setup used within a hydrodynamic tunnel. Numerically, a good reproduction of the behaviour of the plate is obtained, both in terms of displacement and spectral levels. The acoustic levels are also compared to their numerical counterparts at the position of the transducer. Moreover, an experimantal analysis is performed, for backward and forward steps of height smaller than the thickness of the boundary layer, in order to investigate the influence of such configurations on the boundary layer excitation and on the vibroacoustic response

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vibrations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phénomène, appelé vibrations induites par vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes. Une méthode de frontières immergées (IBM) a été intégrée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écoulements fluides incompressibles. La méthode IBM permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans une boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités singulières). La méthode a été étendu au formalisme d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée permettant de modéliser la couche limite à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé
This thesis is related to the simulation and the control of the vortex induced vibrations phenomenon (VIV), which can result from the fluid structure interactions between an unsteady wake and the body, when the shedding frequency in the wake is close to the natural frequency of the body. The control of VIV is a critical issue when optimizing many systems. An Immersed Boundaries Method (IBM) was implemented into the PISO algorithm as a new library of OpenFOAM, in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies.To compute the divergence of the momentum equation and the interpolation of the fluxes, an hybrid calculation with an analytical resolution of the quantities involving the force term (singular quantities) has been proposed. The mesh convergence of several errors was shown by means of a manufactured solution, allowing to analyze both the errors irelated to the discretization and to the IBM. The new algorithm was subsequently extended to the RANS and DDES formalism proposed in OpenFOAM for the simulation of turbulent flows. A wall law was integrated into theIBM method to model the boundary layers that develop around the bodies at large Reynolds numbers. Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving solid bodies (cylinderand sphere) have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers. With the objective of developing optimal control laws for VIV, based on the linear instability mechanisms of the coupled system within the framework of the control theory, a new adjoint solver was also developed and validated in OpenFOAM

A high fidelity approach coupling the computational fluid dynamics method (CFD) and multi-body dynamics method (MBD) is presented for aero-servo-elastic wind turbine simulations. The approach uses the incompressible CFD dynamic overset code CFDShip-Iowa v4.5 to compute the aerodynamics, coupled with the MBD code Virtual.Lab Motion to predict the motion responses to the aerodynamic loads. The IEC 61400-1 ed. 3 recommended Mann wind turbulence model was implemented in this thesis into the code CFDShip-Iowa v4.5 as boundary and initial conditions, and used as the explicit wind turbulence for CFD simulations. A drivetrain model with control systems was implemented in the CFD/MBD framework for investigation of drivetrain dynamics. The tool and methodology developed in this thesis are unique, being the first time with complete wind turbine simulations including CFD of the rotor/tower aerodynamics, elastic blades, gearbox dynamics and feedback control systems in turbulent winds. Dynamic overset CFD simulations were performed with the benchmark experiment UAE phase VI to demonstrate capabilities of the code for wind turbine aerodynamics. The complete turbine geometry was modeled, including blades and approximate geometries for hub, nacelle and tower. Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) and Detached Eddy Simulation (DES) turbulence models were used in the simulations. Results for both variable wind speed at constant blade pitch angle and variable blade pitch angle at fixed wind speed show that the CFD predictions match the experimental data consistently well, including the general trends for power and thrust, sectional normal force coefficients and pressure coefficients at different sections along the blade. The implemented Mann wind turbulence model was validated both theoretically and statistically by comparing the generated stationary wind turbulent field with the theoretical one-point spectrum for the three components of the velocity fluctuations, and by comparing the expected statistics from the simulated turbulent field by CFD with the explicit wind turbulence inlet boundary from the Mann model. The proposed coupled CFD/MBD approach was applied to the conceptual NREL 5MW offshore wind turbine. Extensive simulations were performed in an increasing level of complexity to investigate the aerodynamic predictions, turbine performance, elastic blades, wind shear and atmospheric wind turbulence. Comparisons against the publicly available OC3 simulation results show good agreements between the CFD/MBD approach and the OC3 participants in time and frequency domains. Wind turbulence/turbine interaction was examined for the wake flow to analyze the influence of turbulent wind on wake diffusion. The Gearbox Reliability Collaborative project gearbox was up-scaled in size and added to the NREL 5MW turbine with the purpose of demonstrating drivetrain dynamics. Generator torque and blade pitch controllers were implemented to simulate realistic operational conditions of commercial wind turbines. Interactions between wind turbulence, rotor aerodynamics, elastic blades, drivetrain dynamics at the gear-level and servo-control dynamics were studied, showing the potential of the methodology to study complex aerodynamic/mechanic systems.

Grades da tomada dágua de usinas hidroelétricas são equipamentos de grande importância porque são responsáveis pela proteção das turbinas hidráulicas contra impacto de corpos flutuantes. Tais estruturas estão submetidas à ação de cargas dinâmicas oriundas do escoamento da água através das barras. O objetivo do presente trabalho é analisar grades submetidas à ação de fluxo de água. Ou seja, analisar as respostas da estrutura e o comportamento do escoamento da água utilizando os cálculos de dinâmica de estruturas acopladas às técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Para a elaboração destas análises, foi utilizado o software comercial CFX versão 14. Tais análises foram elaboradas mediante o processo de interação fluido-estrutura. Primeiramente, um modelo estrutural simplificado das barras verticais das grades é elaborado a partir de dados de projetos conhecidos. A partir deste modelo define-se um volume de controle que representa o escoamento do fluido. Devido ao número de Reynolds calculado, utiliza-se o modelo de turbulência para obtenção dos resultados tais como tensões e deslocamentos nas barras verticais, e perfil de velocidades do escoamento. Considerando o modelo proposto, foram elaboradas análises com sete diferentes valores de velocidade de modo a comparar os dados calculados numericamente através do método de elementos finitos com valores obtidos experimentalmente. A partir do modelo verificado, é apresentada uma análise de uma grade inclinada submetida a um fluxo paralelo.
Trashracks are very important equipment because they are responsible for protecting turbines of hydroelectric plants against floating bodies. These structures are subjected to the action of dynamic loads due to the water flow through the vertical and horizontal bars. The objective of this study was to analyze trashracks submitted by action of water flow. In other words, to analyze the responses of the structure and the behavior of water flow using dynamic of structures calculations coupled with computational fluid dynamics techniques (CFD) for a turbulent regime, through the use of commercial software CFX version 14. This analysis is elaborated by the process of fluid structure interaction. First of all, a simplified structural model of vertical bars is defined from other similar projects. For this model is defined a volume of control that represents fluid flow. Due to the Reynolds number calculated, it is utilized a turbulence model in order to obtain the results. These results are: stresses and displacements of vertical bars; and profile of velocities of flow. The results are analyzed and discussed. After that, considering the simplified model, analyzes with seven different values of speed are executed in order to compare the results between the data calculated numerically by finite elements method, and the values obtained experimentally. Considering the model verified, an analysis, of an inclined trashrack subjected to a parallel flow, is presented.

La prédiction des vibrations induites par un écoulement est essentielle dans la conception des conduits de nombreuses installations industrielles, en particulier dans l’industrie du gaz. Notre étude concerne la prévision du bruit et la vibration des conduits soumis à un écoulement turbulent à faible nombre de Mach. Notre objectif est de présenter une étude numérique et expérimentale permettant aux ingénieurs de mieux comprendre le couplage entre l’excitation aléatoire et le conduit pour deux géométries (circulaire ou rectangulaire). Une approche expérimentale est développée et utilisée pour valider les prévisions numériques. Deux cas sont étudiés : (i) un conduit droit sans singularité, où les modes acoustiques du conduit sont excités par une couche limite turbulente (TBL) et (ii) un conduit droit avec un diaphragme inséré en amont qui génère une source acoustique localisée. La contribution acoustique est déterminée soit par des méthodes de mesure d’interspectres, soit à l’aide des outils de mécanique des fluides numérique (CFD) et d’analogies aéroacoustiques. La réponse de la structure est estimée par une approche dite de « couplage faible » qui utilise des fonctions de transfert modale d’un conduit fini simplement appuyé. Les mesures conduiront à évaluer et suggérer des améliorations de modèles empiriques existants de densité interspectrale de puissance (CPSD) dans un contexte d’écoulements internes turbulents. Une analyse modale expérimentale d’un conduit rectangulaire finie est confrontée à des méthodes de calcul pour évaluer l’effet des conditions aux limites, du rayonnement acoustique et de l’amortissement aérodynamique. Le couplage fluide structure est analysé par la fonction de « joint acceptance » à la fois dans le domaine spatial et dans le domaine des nombres d’onde. L’excitation comprend à la fois les contributions acoustiques et hydrodynamiques à l’aide des CPSD exprimées sur la base des fonctions de cohérence de type Corcos, champ diffus et modes acoustiques d’ordre élevé. Enfin, les études numériques et expérimentales de cette thèse ont été utilisées pour développer un cadre d’étude et de modélisation du bruit et des vibrations dans les conduites, qui relie la dynamique des fluides, les modèles analytiques et empiriques à des techniques efficaces d’analyse aléatoire
Pipeline and duct vibrations can cause a range of issues from unplanned shutdownsto decreased equipment life time. Thus, the prediction of flow-induced vibrations is essential in piping design in many industrial plants, especially, for Gas industry. This study deals with the prediction of pipe flow noise and vibration at low Mach number. We aim to present a numerical and experimental study which can offer engineers a better understanding of the coupling between random excitation and duct section for two geometries (circular or rectangular). An experimental facility and measurement approach is developed and used to validate numerical predictions. Two cases are investigated: (i) a straight duct with no singularity, duct acoustic modes are excited by the Turbulent Boundary Layer (TBL) and (ii) a straight duct with a diaphragm inserted upstream generating a localized acoustic source. The acoustic contribution is either measured via cross-spectra based methods or calculated using Computational Fluid Dynamics (CFD) and aeroacoustic analogies. The response of the structure is estimated via a ‘blocked’ approach using analytical modal Frequency Response Functions (FRFs) of a simply supported finite duct. Measurements will lead to evaluate and suggest improvements to existing Cross Power Spectral Density (CPSD) empirical models in a context of internal turbulent flows. Experimental modalanalysis of a finite rectangular duct are confronted to computational methods to assess the effect of the Boundary Conditions (BCs), the resistive damping from coupling with the internal acoustic medium and aerodynamic damping. The fluid-structure coupling is analyzed through the joint acceptance function both in the spatial and wave number domain. The excitation includes both the acoustic and hydrodynamic contributions using CPSD written on the basis of Corcos, Diffuse Acoustic Field (DAF) and acoustic duct mode coherence functions. Finally, the numerical and experimental studies in this thesis were used to develop a framework for studying and modelling pipe flow noise and vibration which links CFD, analytical and empirical models to efficient random analysis techniques

This thesis aims at analysing the predictive capabilities of statistical URANS and hybrid RANS-LES methods to model complex flows at high Reynolds numbers and carrying out a physical analysis of the near-region turbulence and coherent structures. This study handles configurations included in the European research programmes ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) and TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). First, the detached flow in a configuration of a tandem of cylinders, positionned behind one another, is investigated at Reynolds number 166000. A static case, corresponding to the layout of the support of a landing gear, is initially considered. The fluid-structure interaction is then studied in a dynamic case where the downstream cylinder, situated in the wake of the upstream one, is given one degree of freedom in translation in the crosswise direction. A parametric study of the structural parameters is carried out to identify the various regimes of interaction. Secondly, the physics of the transonic buffet is studied by means of time-frequency analysis and proper orthogonal decomposition (POD), in the Mach number range 0.70–0.75. The interactions between the main shock wave, the alternately detached boundary layer and the vortices developing in the wake are analysed. A stochastic forcing, based on reinjection of synthetic turbulence in the transport equations of kinetic energy and dissipation rate by using POD reconstruction, has been introduced in the so-called organised-eddy simulation (OES) approach. This method introduces an upscale turbulence modelling, acting as an eddy-blocking mechanism able to capture thin shear-layer and turbulent/non-turbulent interfaces around the body. This method highly improves the aerodynamic forces prediction and opens new ensemble-averaged approaches able to model the coherent and random processes at high Reynolds number. Finally, the shock-wave/boundary-layer interaction (SWBLI) is investigated in the case of an oblique shock wave at Mach number 1.7 in order to contribute to the so-called "laminar wing design" studies at European level. The performance of statistical URANS and hybrid RANS-LES models is analysed with comparison, with experimental results, of integral boundary-layer values (displacement and momentum thicknesses) and wall quantities (friction coefficient). The influence of a transitional boundary layer on the SWBLI is featured.

Elementos de materiais flexíveis são empregados em diversas aplicações na engenharia, como por exemplo, em pás de turbinas eólicas. O comportamento do escoamento é afetado pela alteração na forma da estrutura. Muitas vezes, seu movimento e deformação são induzidos pelas próprias forças fluidodinâmicas. O trabalho apresenta o estudo de escoamentos externos envolvendo a interação fluido-estrutura, com o interesse voltado ao comportamento de pás de turbinas eólicas. Simulações numéricas são realizadas com o intuito de avaliar o efeito que a deformação da estrutura, devido à resposta elástica às forças oriundas do escoamento, tem nas próprias forças fluidodinâmicas. A plataforma ANSYS Workbench é utilizada, combinando o software ANSYS CFX para a análise do fluido e o ANSYS Mechanical para a análise da estrutura. Como validação do método, o escoamento laminar sobre um cilindro apoiado elasticamente é estudado e comparado com dados da literatura. O caso escolhido para o presente trabalho é o de um escoamento turbulento sobre um elemento de pá, fixo em uma das suas extremidades e livre na outra. A geometria da pá é retangular com o perfil NACA 0012 e o modelo de turbulência utilizado é o k-ω SST. Os resultados demonstram a influência significativa que a deformação da estrutura tem nas forças fluidodinâmicas de sustentação e arrasto e concordam com a literatura existente.
Elements of flexible materials are employed in several engineering applications, for instance, in wind turbine blades. The flow behavior is affected by any change in the shape of the structure. Often, its displacement and deformation are induced by the fluid-dynamic forces themselves. This paper presents the study of an external flow using fluid-structure interaction (FSI), focused on the behavior of wind turbine blades. Numerical simulations are performed in order to evaluate the effect that the deformation of the structure, caused by the elastic response to the flow forces, has on the fluid-dynamic forces themselves. The ANSYS Workbench platform is used, combining the software ANSYS CFX for the fluid analysis and ANSYS Mechanical for the structural analysis. As a form of validation of this method, the laminar flow over an elastically mounted cylinder is studied and compared with literature data. The chosen case for this work is a turbulent flow over a 3D blade element, fixed at one end and free at the other. The blade geometry is rectangular with the NACA 0012 profile and the turbulence model used is the k-ω SST. The results demonstrate the significant influence that the deformation of the structure has on the fluid-dynamic lift and drag forces, leading to an agreement with the existing literature.

Much of the vibration in fast moving vehicles is caused bydistributed random excitation, such as turbulent flow and roadroughness. Piping systems transporting fast flowing fluid isanother example, where distributed random excitation will causeunwanted vibration. In order to reduce these vibrations andalso the noise they cause, it is important to have accurate andcomputationally efficient prediction methods available.

The aim of this thesis is to present such a method. Thefirst step towards this end was to extend an existing spectralfinite element method (SFEM) to handle excitation of planetravelling pressure waves. Once the elementary response tothese waves is known, the response to arbitrary homogeneousrandom excitation can be found.

One example of random excitation is turbulent boundary layer(TBL) excitation. From measurements a new modified Chase modelwas developed that allowed for a satisfactory prediction ofboth the measured wall pressure field and the vibrationresponse of a turbulence excited plate. In order to model morecomplicated structures, a new spectral super element method(SSEM) was formulated. It is based on a waveguide formulation,handles all kinds of boundaries and its elements are easily putinto an assembly with conventional finite elements.

Finally, the work to model fluid-structure interaction withanother wave based method is presented. Similar to the previousmethods it seems to be computationally more efficient thanconventional finite elements.

Cette thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique d'écoulements instationnaires et turbulents dans un contexte d'aérodynamique externe. L'étude proposée contribue au développement de méthodes adaptées aux écoulements incompressibles, monophasiques et multiphasiques, autour de divers corps profilés et non-profilés. Celles-ci reposent sur une méthode éléments finis stabilisés innovante de type Variational Multiscale (VMS), dans laquelle la solution est décomposée a priori en une grande échelle résolue et une petite échelle modélisé, dont l’effet sur la grande échelle est pris en compte au travers de termes sources proportionnels aux résidus des équations du problème grande échelle. Une procédure automatique est utilisée afin de générer des maillages hybrides combinant une région interne structurée en strates et conforme à la théorie des couches limites, et une région externe non structurée et adaptée via un estimateur d’erreur VMS sous la contrainte d’un nombre d’éléments fixé. Pour les cas mettant en jeu plusieurs phases immiscibles, une méthode level-set est utilisée afin de suivre précisément les interfaces tout en prenant en compte les effets de tension de surface. L'originalité et l'enjeu principal de cette thèse résident dans le couplage de ces différentes approches en une formulation unifiée, et leur mise en oeuvre dans un contexte de calcul massivement parallèle. Plusieurs cas-tests en deux et trois dimensions sont présentés afin de démontrer la précision et la robustesse des outils proposés. Le solveur est ensuite utilisé pour analyser l'aérodynamique du Stratobus, un dirigeable stratosphérique développé par Thalès Alenia Space et destiné à un large éventail d’applications civiles ou militaires. En régime permanent, une hypothèse d’enveloppe rigide permet de prédire les forces exercées sur la structure en bon accord avec l’expérience. L'effet du slosh d'un ballonet d'hélium placé à l'intérieur de l'enveloppe est également simulé afin de caractériser la dynamique du dirigeable durant la phase de décollage
This thesis is devoted to the modeling and the numerical simulation of unsteady, turbulent flows relevant to external aerodynamic applications. The proposed study aims at developing methods suited to incompressible, monophase and multiphase flows around various slender and non-slender bodies. The latter rely on the Variational Multiscale (VMS) stabilized finite element method, that introduces an a priori decomposition of the solution into coarse and fine scale components. The general idea is that only the large scales are fully represented and resolved at the discrete level, while the effect of the small unresolved scales is taken into account by means of consistently derived source terms proportional to the residual of the resolved scale solution. An automatic procedure is used to build complex meshes combining a multilayer inner region structured according to the boundary layer theory, and an external non-structured region refined using a VMS error estimator under the constraint of a fixed number of nodes. For cases involving several immiscible phases, an advanced level-set method is used to accurately follow the interfaces while accounting for surface tension effects. The coupling between these various components into a unified formulation, and their implementation in a context of high performance computing, make for the novelty and the main objective of this thesis. Several test-cases in two and three dimensions are presented to assess the accuracy and the robustness of the proposed methods. The solver is then used to analyze the aerodynamics of the Stratobus, a stratospheric airship designed by Thalès Alenia Space for a wide range of civilian and military operations. In the permanent regime, a rigid envelope assumption allows predicting the forces exerted on the structure in good agreement with the experiments. The effect of a lighter-than-air ballonet slosh located in the hull is also simulated to characterize the airship dynamics during take-off

The fluid-structure interaction (FSI) phenomena are relevant in a significant number of naturally occurring as well as industrial applications. Simulations of FSI have gained noteworthy attention with rapid advancements of computational technology in the last decade. Efficiency and accuracy of these simulations are still a concern, specially with a turbulent flow, the challenge is compounded by an additional computational cost for a turbulence modeling approach. Partitioned coupling approaches owing to software modularity and reusability are favored by engineers to solve FSI problems. The turbulence in flow is simulated through models with varying levels of complexity and computational requirements. In industrial applications, the use of Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) modeling of turbulence is dominant, whereas turbulence resolving approaches like Large-Eddy simulation (LES) are still not considered feasible due to computational requirements. To get as much accuracy by using as least as possible computer resources, a reasonable compromise are hybrid RANS-LES of turbulence, which are becoming more and more frequent. The goal of this work is to enable efficient and reliable simulations of FSI in turbulent flow. To this end, validation studies of three different turbulence modeling approaches available in the in-house flow solver FASTEST are performed. The structural subproblem in the coupling environment is solved with the Finite Element Method based code FEAP, while the data transfer and interpolation on non-matching grid interfaces can be handled with MpCCI or preCICE. For this work, the turbulence modeling approaches in FASTEST are extended with an implementation of the Wall Adapting Local Eddy (WALE) viscosity model for LES, and a validation study of the model is performed for a two dimensional periodic hill flow test case. An economical method based on a Poisson equation for the calculation of the nearest wall distance is also implemented, which is required by some turbulence models. The accuracy of the method is assessed with two computations on stationary grids. In turbulent flow simulations with moving grids, the height of cells on a wall changes and it can make a wall treatment approach unsuitable. This issue is addressed with an implementation of wall boundary conditions that work regardless of the first cell position in a boundary layer. The implementation is tested on stationary grids in a channel flow with a variation of the first cell height on the wall. A test of the method with an FSI test case showed satisfactory results. Validation studies of a RANS and a hybrid RANS-LES approach are performed with simulations of two FSI test cases. The two and three dimensional RANS and the hybrid RANS-LES produce a good agreement with the experimental results for oscillation characteristics of the structure. A hybrid RANS-LES and an LES is performed for another FSI test case with a very dense mesh. The LES and the hybrid RANS-LES on two different, but relatively dense meshes produced very similar results with a satisfactory prediction of the structural deflections.