Interactions fluide-structure proche de la surface libre : application à la récupération d'énergie et aux instabilités - Institut mécanique des fluides de Toulouse Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Fluid-structure interactions close to the free surface : application to energy recovery and instabilities

Interactions fluide-structure proche de la surface libre : application à la récupération d'énergie et aux instabilités

Nabil Achour
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1151490
  • IdRef : 253747805

Résumé

This thesis focuses on the study of fluid-structure interaction problems near to the free surface. The first part of the thesis is devoted to the study of the linear stability of a tensioned membrane in a uniform flow and parallel to the free surface so-called the "Nemtsov configuration". A numerical approach is implemented and the eigenvalue problem obtained is then solved using the StabFEM software developed at IMFT and based on the finite elements software FreeFEM++. The results extend the current literature associated with this configuration to finite values of the density ratio of the fluid and the solid, and show that this configuration is at the origin of different types of instabilities including classical fluid-structure instabilities such as static (divergence) and dynamic instabilities (flutter), as well as radiative instability specifically due to the presence of the free surface. The mechanisms at the base of this latter instability are described and interpreted as a competition between different types of surface waves called negative energy and positive energy which respectively have the effect of destabilizing and stabilizing the membrane when they are generated. In the perspective of the use of flexible structures for the wave energy harvesting, the second part of the thesis is dedicated to the study of the forcing by a monochromatic incident wave of an energy converter made up of a flexible membrane submerged parallel to the free surface in the presence of a current and connected to one (or more) punctual linear damper(s) modeling the energy extraction. The set of equations modeling this wave-current-flexible membrane interaction problem is then solved numerically using StabFEM software. Our method is then compared to the results of the literature in order to validate the inclusion of flexibility and incident current. The effect of the incident flow (waves / current) on the efficiency of energy harvesting is studied for a converter with given characteristics (immersion, structural properties and fixed dimensions). The study reveals in particular that the presence of a current can significantly increase the efficiency of wave energy recovery. Subsequently, a parametric study of the main parameters of the energy recuperator (position and damping coefficient) is made for two typical incident waves (the wavelength / membrane length ratios are of the order of 1 and 2) . We find that we have a better efficiency (which can exceed 90%) mainly when the damper is placed in the downstream part of the membrane (beyond the middle). Finally, we propose a linear stability analysis of the flow around a rigid and fixed two-dimensional cylinder, near to the free surface. A Linearized-Eulerian-Lagrangian Arbitrary method (L-ALE) is implemented to formulate this problem in a moving domain having a small deformation compared to the reference configuration. After obtaining the steady solutions of the Navier Stokes equations using an iterative Newton method in which a deformation field is computed at each iteration. We then proceed to the stability analysis of the obtained base flow. The calculation of the hydrodynamic forces exerted on the cylinder surface shows that the lift force decreases with the presence of the free surface while the drag force increases when the deformations of the surface become important. Moreover, the stability analysis shows that the presence of the free surface has an important influence on the stability thresholds. Indeed, we have a destabilizing effect which manifests itself by the modification of the wake structure generated behind the cylinder.
Cette thèse porte sur l'étude des problèmes d'interaction fluide-structure au voisinage d'une surface libre. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de la stabilité linéaire d'une membrane tendue dans un écoulement uniforme et parallèle à la surface libre appelée « configuration de Nemtsov ». Une approche numérique est mise en œuvre et le problème aux valeurs propres obtenu est ensuite résolu à l'aide du logiciel StabFEM développé à l'IMFT et basé sur le logiciel éléments finis FreeFEM++. Les résultats étendent la littérature actuelle associée à cette configuration à des valeurs finies de rapport de densité entre le fluide et le solide, et montrent que cette configuration est à l'origine de différents types d'instabilités incluant les instabilités fluide-structure classiques telles que des instabilités statiques et dynamiques (flottement), ainsi qu'une instabilité radiative spécifiquement due à la présence de la surface libre. Les mécanismes à la base de cette dernière instabilité sont décrits et interprétés comme une compétition entre différents types d'ondes de surface dites à énergie négative et à énergie positive qui respectivement ont pour effet de déstabiliser et stabiliser la membrane lorsqu'elles sont générées. Dans la perspective de l'utilisation de structures flexibles pour la récupération d'énergie des vagues, la seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude du forçage par une houle incidente monochromatique d'un convertisseur d'énergie constitué d'une membrane flexible immergée parallèlement à la surface libre en présence d'un courant et reliée à un (ou plusieurs) amortisseur(s) linéaire(s) ponctuel(s) modélisant l'extraction d'énergie. L'ensemble des équations modélisant ce problème d'interaction vague-courant-membrane flexible est ensuite résolu numériquement à l'aide du logiciel StabFEM. Notre méthode est par la suite confrontée aux résultats de la littérature afin de valider la prise en compte de la flexibilité et du courant incident. L'effet de l'écoulement incident (vagues/courant) sur l'efficacité de la récupération d'énergie est étudié pour un récupérateur aux caractéristiques données (immersion, propriétés structurelles et dimensions fixées). L'étude révèle notamment que la présence d'un courant peut augmenter significativement l'efficacité de la récupération d'énergie des vagues. Ultérieurement,une étude paramétrique des principaux paramètres du récupérateur d'énergie (position et coefficient d'amortissement) est faite pour deux ondes incidentes typiques (les rapports longueur d'onde/longueur de la membrane sont de l'ordre de 1 et 2). Nous constatons que nous avons un meilleur rendement (qui peut dépasser 90%) principalement lorsque l'amortisseur est placé dans la partie aval de la membrane (au-delà du milieu). Finalement, nous proposons une analyse de stabilité linéaire de l'écoulement autour d'un cylindre bidimensionnel, rigide, immobile et à proximité d'une surface libre. Une méthode Arbitraire Eulérienne-Lagrangienne-Linéarisée (L-ALE) est mise en œuvre pour formuler ce problème dans un domaine mobile présentant une faible déformation par rapport à la configuration de référence. Après obtention des solutions stationnaires des équations de Navier Stokes en utilisant une méthode itérative de Newton dans laquelle un champ de déformation du maillage est calculé à chaque itération, une analyse de stabilité linéaire de ce champ de base est effectuée. Le calcul des efforts hydrodynamiques exercés sur la surface du cylindre montre que la force de portance diminue avec la présence de la surface libre tandis que le force de traînée augmente lorsque les déformations de la surface deviennent importantes. Par ailleurs, l'analyse de stabilité nous montre que la présence de la surface libre a une influence importante sur les seuils de stabilité. En effet, nous avons un effet déstabilisant qui se manifeste par la modification de la structure du sillage généré derrière le cylindre.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03735796 , version 1 (21-07-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03735796 , version 1

Citer

Nabil Achour. Interactions fluide-structure proche de la surface libre : application à la récupération d'énergie et aux instabilités. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2022. Français. ⟨NNT : 2022TOU30066⟩. ⟨tel-03735796⟩
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