Introduction

Présentation générale

Les interactions fluide-structure sont des phénomènes physiques rencontrés dès lors qu'une structure souple est plongée dans un écoulement. Elles se traduisent par l'oscillation de la structure soumise aux vibrations de ce dernier. Les secteurs industriels concernés sont donc très nombreux, allant du génie civil, à l'aéronautique, en passant par les installations pétrolières off-shore, les centrales nucléaires, la biomécanique...

Un des paramètres clés utilisé dans l'étude des interactions fluide-structure est la vitesse réduite $U_r$ (ou u*). Il s'agit d'un nombre adimensionnel qui compare la vitesse de l'écoulement à la fréquence propre de la structure. Il est alors possible de distinguer 3 mécanismes d'excitation distincts, suivant la valeur de la vitesse réduite (cf. figure 1)

  1. Une zone d'excitation aléatoire par la turbulence, Turbulence Induced Vibrations (TIV). L'amplitude des vibrations est limitée et augmente régulièrement avec la vitesse de l'écoulement.
  2. Une zone d'accrochage en fréquence, Vortex Induced Vibrations (VIV). Il s'agit d'un phénomène analogue à une "résonance", où un des modes propres de la structure est excitée par son sillage instationnaire. L'amplitude des vibrations croît, mais le système reste stable.
  3. Au delà d'une vitesse réduite critique il y a couplage aéroélastique, Mouvement Induced Vibrations (MIV). Le système peut devenir dynamiquement instable, l'amplitude des vibrations diverge jusqu'à la rupture de la structure.

Figure 1 : Amplitude des oscillations en fonction de la vitesse réduite. D'après Thibaud Marcel [3].

 

Contexte industriel

Les enjeux deviennent encore plus importants lorsque plusieurs structures proches sont plongées dans un écoulement. En effet il arrive que leurs sillages intéragissent de manière non linéaire pour donner lieu à des VIV et MIV. Ces configurations sont principalement rencontrées dans les trains d'atterrissage d'avions, et dans les tubes de refroidissement des centrales nucléaires. Ces vibrations jouent un facteur majeur pour la fatigue des structures voire leur casse. Cette étude est donc en forte relation avec le projet "ATAAC" (Advanced Turbulence simulation for Aerodynamic Application Challenges) qui a comme objectif de développer les méthodes numériques utilisées en aérodynamique et en forte relation avec le programme ANR - BARESAFE, "Rliability of Safety Barrier", coordonné par l'EDF.

                      

 

Objectifs

Notre projet s'inscrit dans la continuité de deux autres BEI réalisés antérieurement. Ces projets ont permis de valider le maillage et le modèle de turbulence d'une part, et l'étude statique d'autre part. L'objectif de cette année est de réaliser l'étude dynamique du système.

Une première étape consistera à déterminer la réponse de la structure en fonction de la vitesse réduite. En particulier on cherchera à déterminer la fréquence d'accrochage et la vitesse critique de transition vers les MIV. On fera cette étude pour plusieurs structures d'amortissement différents.

On procédera ensuite à une analyse de stabilité en modélisant le système par un oscillateur non linéaire de Landau. Il s'agira plus particulièrement de déterminer les constantes du modèles avec nos résultats numériques.