Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif.

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.

Dans cette thèse, on étudie numériquement, par la méthode partitionnée, trois types de couplage issus du domaine aérospatial : l'aéro-mécanique, l'aéro-thermique et l'aéro-thermo-mécanique.<br />Un moteur de couplage est développé pour gérer les aspects logistiques.<br />Outre l'indépendance spatiale et temporelle des différents codes, il permet de mettre en place rapidement un algorithme de couplage taillé sur mesure pour chaque application.<br /><br />L'étude d'une tuyère du moteur Vulcain 2, refroidie par écoulement de gaz, sert de fil conducteur applicatif.<br />Modélisée à haute température par un comportement non-linéaire élasto-visco-plastique, la mécanique couplée est résolue par un algorithme simple.<br />Au contraire, la thermique se montre problématique, et nécessite l'utilisation conjointe de deux méthodes originales : un pas de temps automatique de couplage, et des conditions de raccord mixtes.<br />Ces deux cas sont finalement assemblés pour résoudre la question du couplage à trois codes.

Cette thèse est motivée par la modélisation et la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure autour de valves cardiaques. L'interaction avec la paroi des vaisseaux est traitée avec une formulation Arbitraire Lagrange Euler (ALE), tandis que l'interaction avec les valves est traitée à l'aide de multiplicateurs de Lagrange, dans une formulation de type Domaines Fictifs (FD). Après une présentation de synthèse des diverses méthodes utilisées en interaction fluide-structure dans les écoulements sanguins, nous décrivons une méthode permettant de simuler la dynamique d'une valve immergée dans un écoulement visqueux incompressible. L'algorithme de couplage est partionné, ce qui permet de conserver des solveurs fluides et structures indépendants. Le maillage du fluide est mobile pour suivre la paroi des vaisseaux, mais indépendant du maillage des valves. Ceci autorise des très grands déplacements sans nécessiter de remaillage. Nous proposons une stratégie pour gérer le contact entre plusieurs valves. L'algorithme est totalement indépendant des solveurs de structures et est bien adapté au couplage fluide-structure partionné. Enfin, nous proposons un schéma de couplage semi-implicite permettant de mêler efficacement les formulations ALE et FD. Toutes les méthodes considérées sont accompagnées de nombreux tests numériques en 2D et 3D.

Cette thèse est motivée par la modélisation et la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure autour de valves cardiaques. L'interaction avec la paroi des vaisseaux est traitée avec une formulation Arbitraire Lagrange Euler (ALE), tandis que l'interaction avec les valves est traitée à l'aide de multiplicateurs de Lagrange, dans une formulation de type Domaines Fictifs (FD). Après une présentation de synthèse des diverses méthodes utilisées en interaction fluide-structure dans les écoulements sanguins, nous décrivons une méthode permettant de simuler la dynamique d'une valve immergée dans un écoulement visqueux incompressible. L'algorithme de couplage est partitionné, ce qui permet de conserver des solveurs fluides et structures indépendants. Le maillage du fluide est mobile pour suivre la paroi des vaisseaux, mais indépendant du maillage des valves. Ceci autorise des très grands déplacements sans nécessiter de remaillage. Nous proposons une stratégie pour gérer le contact entre plusieurs valves. L'algorithme est totalement indépendant des solveurs de structures et est bien adapté au couplage fluide-structure partitionné. Enfin, nous proposons un schéma de couplage semi-implicite permettant de mêler efficacement les formulations ALE et FD. Toutes les méthodes considérées sont accompagnées de nombreux tests numériques en 2D et 3D.

Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif. / This thesis consists in setting up an external fluid-thermal-structural coupling, based on a partitionned scheme, between the research codes CEDRE (fluid mechanics, finite volumes) and Z-set (independent solvers for structural mechanics and heat transfer through the solid). The numerical results are compared with experimental data, to study a complex problem related to the aerospace certification process: the flame-wall interaction. This phenomenon is is driven by the heat flux generated by the flame close to the wall. Because of the disparity of thermal characteristic times between the fluid and the solid, the aero-thermal part of the coupling is simplified by considering the fluid as a sequence of steady states. The heating of the metallic plate causes its deformation (the material has a viscoplastic behavior). The displacement of the fluid-structure interface is propagated through the fluid mesh. Based on similitudes between impinging reacting jets (flames) and non-reacting jets, coupled computations are performed in 2D and 3D configurations with an equivalent non-reacting hot jet.

L’objectif de ce travail porte sur le développement d’un modèle d’interaction fluide-structure adapté à la dynamique des éoliennes de grandes tailles avec des pales flexibles qui se déforment de manière significative sous l’effet de la pression exercée par le vent. Le modèle développé est basé sur une approche efficace d’IFS partitionnée pour un fluide incompressible et non visqueux en interaction avec une structure flexible soumise a des grandes transformations. Il permet de fournir une meilleure estimation de la charge aérodynamique et de la réponse dynamique associée du système (pales, mat, attachements, câbles) avec un temps de calcul raisonnable et pour des simulations sur des longues périodes. Pour la modélisation structurale, un élément fini de type solide 3D est développé pour l’étude dynamique des pales d’éolienne soumises à des grands déplacements et des grandes rotations. Une amélioration du comportement en flexion est proposée par l’introduction des degrés de liberté en rotation et l’enrichissement du champ de déplacements afin de décrire plus précisément la flexibilité des pales. Cet élément solide est apte de capter des modes de hautes fréquences qui peuvent s’avérer néfastes pour la stabilité du calcul. Deux techniques sont donc proposées pour les contrôler : la régularisation de la matrice masse et le développement des schémas d’intégration robustes de conservation et de dissipation d’énergie. Les chargements aérodynamiques sont modélisés en utilisant la Panel Method. Il s’agit d’une méthode aux frontières, relativement rapide par rapport à la CFD mais suffisamment précise pour calculer la distribution de la pression exercée sur la pale. Les modèles fluide et structure interagissent via un algorithme de couplage partitionné itératif dans lequel des considérations particulières sont prises en compte dans le contexte des grandes transformations. Dans un effort visant à instaurer un indicateur de fatigue dans la méthodologie proposée, des câbles précontraints sont introduits reliant le mat de l’éolienne au support. Une nouvelle formulation complémentaire en termes de contraintes est ainsi développée pour l’analyse dynamique des câbles 3D en comportement élasto-visco-plastique. Chaque méthode proposée a été d’abord validée sur des cas tests pertinents. Par la suite, des simulations numériques d’éoliennes avec des pales flexibles sont effectuées en vue d’affiner la compréhension de leur comportement dynamique et l’intérêt que la flexibilité des pales peut apporter à leur fonctionnement. / In this work, a numerical model of fluid-structure interaction is developed for dynamic analysis of giant wind turbines with flexible blades that can deflect significantly under wind loading. The model is based on an efficient partitioned FSI approach for incompressible and inviscid flow interacting with a flexible structure undergoing large transformations. It seeks to provide the best estimate of true design aerodynamic load and the associated dynamic response of such system (blades, tower, attachments, cables). To model the structure, we developed a 3D solid element to analyze geometrically nonlinear statics and dynamics of wind turbine blades undergoing large displacements and rotations. The 3D solid bending behavior is improved by introducing rotational degrees of freedom and enriching the approximation of displacement field in order to describe the flexibility of the blades more accurately. This solid iscapable of representing high frequencies modes which should be taken under control. Thus, we proposed a regularized form of the mass matrix and robust time-stepping schemes based on energy conservation and dissipation. Aerodynamic loads are modeled by using the 3D Vortex Panel Method. Such boundary method is relatively fast to calculate pressure distribution compared to CFD and provides enough precision. The aerodynamic and structural parts interact with each other via a partitioned coupling scheme with iterative procedure where special considerations are taken into account for large overall motion. In an effort to introduce a fatigue indicator within the proposed framework, pre-stressed cables are added to the wind turbine, connecting the tower to the support and providing more stability. Therefore, a novel complementary force-based finite element formulation is constructed for dynamic analysis of elasto-viscoplastic cables. Each of theproposed methods is first validated with differents estexamples.Then,several numerical simulations of full-scale wind turbines are performed in order to better understand its dynamic behavior and to eventually optimize its operation.