FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Among the new-found data about the availability of fossil fuels, which affirms that oil and natural gas sources will be almost depleted in the next century and the coal in the following two centuries. There is a global pursuit about new ways to produce energy. Another important fact that ratify this quest, lies at rise of the environment imbalance arouse from the burn of fossil fuels which, through the greenhouse effect, leads, for instance, to melting glaciers and increasing the temperature in the earth. The wind power, already used to move ships since antiquity is a relevant alternative way to produce energy, since it dispose of, at least, two great advantages, namely, it is endless and produce low negative consequences to environment. A place is considered to be good to receive the wind power engines called wind turbines, which convert the wind kinetic energy in electricity, if it is a ground plane with little amount of barriers. The sea, especially the regions far from the coast, satisfy the two latter requirement, and, furthermore, it is a place in which there are less obstructions about the noise pollution from the offshore wind turbines and there is not concern about deceases arouse in people who leave near of wind farms. In order to install the wind turbines in those spots away from the seashore, is required that its towers must be attached at the sea floor or must be develop a system that allow the turbine to float. Therefore the objective of the present work is to develop a structural modelling of the Monopile, TLP (Tension Leg Platform) and Spar type wind turbines subject using Finite Element Methods with the coupling method accomplished by Localized Lagrange Multipliers, jointly with the software SolidWorks and Autocad (drawing creation), ANSYS (mesh development) and Matlab (solver). The obtained results are relevant since such models are those which are most commonly used in offshore wind power plants. Lastly, due to the use of the latter coupling method, there is not the requisition to develop the study using meshes that agree each other. On the contrary, the analysis can be performed with non match meshes adjusting them with the Zero Moment Rule described in this present study. / Diante dos mais recentes dados com respeito a quantidade de combustÃveis fÃsseis ainda disponÃveis na natureza, os quais atestam que nÃo hà mais nem um sÃculo sequer para que o petrÃleo e o gÃs natural sejam praticamente extintos e que as reservas de carvÃo mineral suprirÃo somente mais 2 sÃculos de consumo, levando em conta o gasto atual. A preocupaÃÃo quanto a novas formas de extraÃÃo de energia se tornam necessÃrias e urgentes. Outro importante fator que ratifica o imediatismo de se buscar diferentes fontes de energia em detrimento de combustÃvel fÃssil, à o fato de que as emissÃes intrÃnsecas à sua queima estÃo gerando desequilÃbrio no clima global pela intensificaÃÃo do efeito estufa, apontado como um dos principais contribuidores do derretimento de geleiras e aquecimento da temperatura da terra. A energia eÃlica, jà utilizada desde a antiguidade para auxÃlio de locomoÃÃo de embarcaÃÃes e em moinhos de vento, se mostra uma alternativa de extrema relevÃncia, jà que, ela nÃo à portadora dos dois problemas crÃticos citados anteriormente. A saber, ela à infindÃvel e tem baixa consequÃncia negativa ao meio ambiente. Quanto aos locais que oferecem maior rendimento e produÃÃo para instalaÃÃo dos aerogeradores, responsÃveis pela conversÃo da energia cinÃtica do vento em energia elÃtrica, sÃo os que dispÃem de terreno mais plano e ausente de barreiras que impeÃam a continuidade do fluxo de vento. O mar, sobretudo as regiÃes mais distantes da costa, satisfazem Ãs duas necessidades citadas anteriormente, e, ainda se tratam de um local no qual nÃo hà a preocupaÃÃo quanto a poluiÃÃo sonora gerada pelos aerogeradores e nem com distÃrbios e doenÃas que possam ser desencadeadas em pessoas que residam pertos de grandes parques Ãolicos. A utilizaÃÃo de aerogeradores no mar (offshore) distantes da costa, e por conseguinte, em grandes profundidades, requer torres de sustentaÃÃo fixadas ao solo ou um sistema que proporcione que a turbina flutue. Diante do exposto, o trabalho em questÃo tem por objetivo realizar a modelagem estrutural do aerogerador flutuante (Spar), do portador de torre de tripà e do modelo monopile, sujeitos a carregamentos decorrentes de situaÃÃes normais e extremas, utilizando os mÃtodos dos Elementos Finitos juntamente com o MÃtodo de Acoplamento por Multiplicadores de Lagrange Localizados, atrelados aos softwares SolidWorks e Autocad (criaÃÃo do desenho), ANSYS (malha) e Matlab (solver). E, em decorrÃncia do fato da utilizaÃÃo do mÃtodo de acoplamento, nÃo hà necessidade de que as malhas dos subdomÃnios envolvidos sejam coincidentes. Pelo contrÃrio, pode-se utilizar malhas nÃo encaixantes para discretizar o sistema e, nas regiÃes onde hà contato entre malhas que nÃo coicidem, aplica-se a Regra do Momento Zero, descrita no presente trabalho. Nesse tipo de abordagem, pode haver uma separaÃÃo dos cÃdigos computacionais utilizados para o fluido e para a estrutura, os quais sÃo inicialmente tratados como entidades individuais e sà apÃs terem sido discretizados à que a informaÃÃo sobre suas malhas à recebida pela parte do cÃdigo responsÃvel por realizar o acoplamento dos subdomÃnios. Problemas de malhas que nÃo se encaixam podem surgir por diversos motivos, dentre eles, o fato de um subdomÃnio requerer uma malha mais refinada do que outros para que dele resultem resultados acurados. Pesquisadores de diferentes Ãreas podem gerar malhas separadas de distintos subdomÃnios e desejarem unÃ-los pelo mÃtodo abordado nesse trabalho em uma simulaÃÃo, ou a conformidade das malhas pode requerer muito tempo dispendido devido ao grande esforÃo computacional para a geraÃÃo de malhas conformes. Por fim, a aplicaÃÃo do mÃtodo produz resultados de grande relevÃncia, visto que, os modelos a que dizem respeito sÃo os mais comumente utilizados em projetos de aproveitamento de energia eÃlica offshore.

Problemas envolvendo interação entre fluido e estrutura são desafiadores para a engenharia e, ao mesmo tempo em que abrangem dois meios com características físicas distintas, demandam uma descrição matemática para cada um deles que seja compatível, de forma a permitir o acoplamento. Assim, este trabalho apresenta uma formulação em descrição Lagrangeana para análises dinâmicas de sólidos, fluidos incompressíveis e interação fluido-estrutura (IFE). Nos problemas de IFE é comum a estrutura apresentar grandes deslocamentos, o que torna imprescindível considerar o efeito da não-linearidade geométrica. Levando isso em consideração, é empregada uma formulação do método dos elementos finitos (MEF) baseada em posições, cuja aplicação em análises dinâmicas de estruturas em regime de grandes deslocamentos vem se mostrando bastante robusta. Já no âmbito da dinâmica dos fluidos, sabe-se que uma descrição Lagrangeana acaba por eliminar os termos convectivos das equações de Navier-Stokes, dispensando o uso de métodos estabilizantes nessas equações. Por outro lado, a dificuldade é então transferida para o uso de técnicas eficientes de remesh, preservação da qualidade da malha e de identificação do contorno, uma vez que os fluidos podem deformar-se indefinidamente quando submetidos a forças de cisalhamento. Assim, uma combinação do método dos elementos finitos e do método de partículas é utilizada, onde as forças de interação entre as partículas de fluido são calculadas por meio de uma malha de elementos finitos que é renovada para cada passo de tempo. Por meio de técnicas que reconstroem automaticamente o contorno, é possível simular problemas de superfície livre que sofram severas alterações e, até mesmo, uma eventual separação de partículas do domínio inicial, representando, por exemplo, a formação de gotas. Por fim, o sistema de acoplamento entre o fluido e o sólido é simplificado devido a ambos os domínios serem descritos através de um referencial Lagrangeano, não necessitando de métodos para a adaptação da malha do fluido de modo a acompanhar o movimento da estrutura. / Problems involving fluid-structure interaction are challenging for engineering and, while involving two different materials with distinct physical properties, they require a compatible mathematical description for both solid and fluid domain in order to allow the coupling. Thus, this work introduces a formulation, under Lagrangian description, for the solution of solid, incompressible fluid dynamics and fluid-structure interaction (FSI). In FSI problems, the structure usually presents large displacements thus making mandatory a geometric non-linear analysis. Considering it, we adopt a position based formulation of the finite element method (FEM) which has been shown to be very robust when applied to large displacement solid dynamics. For the fluid mechanics problem it is well known that a Lagrangian description eliminates the convective terms from the Navier-Stokes equations and thus, no stabilization technique is required. However, the difficulty is then transferred to the need of efficient re-meshing, mesh quality and external boundary identification techniques, since the fluid presents no resistance to shear stresses and may deform indefinitely. In this sense, we employ a combination of finite element and particle methods in which the particle interaction forces are computed by mean of a finite element mesh which is re-constructed at every time step. Free surface flows are simulated by a boundary recognition technique enabling large domain distortions or even the particles separation from the main domain, representing for instance a water drop. Finally, the fluid-structure coupling is simplified due to the Lagrangian description adopted for both materials, with no need for extra adaptive mesh-moving technique for the fluid computational domain to follow the structure motion.

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.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2008. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-19T22:08:47Z No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2013-06-03T19:29:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-06-03T19:29:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento De Uma Instalação Experimental Para Estudo De Fenômenos De Interação Fluido-estrutura.pdf: 1830430 bytes, checksum: fbf20ca5696e6496fdf803ca403c6632 (MD5) Previous issue date: 2008 / O estudo experimental de problemas de interação fluido-estrutura é de fundamental importância para o entendimento dos processos dinâmicos envolvidos. Esses processos podem ser bastante complexos em função da alta não-linearidade do problema, especialmente para os casos em que o acoplamento entre a dinâmica do fluido e a dinâmica da estrutura é forte, ou para casos em que ocorram instabilidades dinâmica tanto no fluido quanto na estrutura. O estudo experimental de fenômenosde interação fluido-estrutura necessita de instalações de laboratório capazes de impor movimento relativo entre o fluido e a estrutura. Neste contexto, nesta dissertação apresentam-se o projeto, a construção e a avaliação de um canal de reboque otimizado para o estudo da interação fluido-estrutura em corpos rombudos cilíndricos de alta razão de aspecto. A instalação consiste de um canal de 16 m de comprimento com seção transversal 0,71m de largura por 0,79 m de altura e de uma plataforma de reboque para movimento da estrutura sobre o fluido. Além do movimento retilíneo, a plataforma de reboque é capaz de impor, simultaneamente, movimentos oscilatórios em até dois grupos de estruturas de forma independente. Esta capacidade permite o estudo da influência da amplitude, da freqüência e da fase do movimento oscilatório na interação entre o fluido e as estruturas. A dissertação contém uma discussão sobre a formulação geral dos problemas de interação fluido-estrutura e os principais parâmetros adimensionais relevantes. São tratados os problemas específicos da instalação experimental tais como especificação dos parâmetros hidrodinâmicos, projeto das estruturas de suporte do canal e da plataforma de reboque, o projeto mecânico da plataforma de reboque e uma breve descrição do sistema de controle dos movimentos da plataforma, bem como apresentam-se a descrição dos ensaios de avaliação de desempenho do sistema e a discussão dos resultados. Finalmente, a dissertação apresenta as conclusõesdos aspectos construtivos e capacidade da instalação em uma faixa do número de Reynolds, bem como as sugestões para trabalhos futuros. / The experimental study of fluid-structure interaction problems is of fundamental importance for the understanding of the dynamic phenomena involved. The dynamics of these phenomena can be very complex as a result of the high non-linearity of the problem, in particular for the cases with strong coupling between the dynamic of the fluid and the dynamic of the structure, or in cases in which instabilities in the fluid or in the structure are present. The experimental study of fluid-structure interaction requires laboratory facilities capable of impose relative motion between the fluid and the structure. In this context, that work presents the design, the construction and the evaluation of a towing canal optimized for the study of the interaction fluid-structure in cylindrical bluff bodies of high aspect ratio. The facility consists of 16 m long canal with cross section 0.71 m of width by 0.79 m of height and a towing platform for the motion of the structure in the fluid. In addition to the linear motion, the towing platform is capable of impose simultaneously independent transverse oscillatory motion in up to two structure groups. This capacityallows the study of the influence of the amplitude, of the frequency and of the phase of the oscillatory motion in the interaction between the fluid and the structure. This work presents a discussion on the general formulation of the fluid-structure interaction problems and on the main dimensionless parameters that are relevant to the problem. Next, it deals with the specification of the experimental facility such as hydrodynamic parameters, design of structures for supporting the canal itself and the towing platform, the mechanical design of the towing platform and a brief description of the system of control of the towing platformmotions. Next, it presents the description of the evaluation tests for the platform performance and the discussion of the results. Finally, the work presents the conclusions of the aspects of capacity building and installation on a range of Reynolds number, as well as suggestions for future work.

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um código computacional baseado no método dos elementos finitos (MEF), para análise bidimensional de interação fluido-estrutura. Desenvolve-se um código bidimensional para dinâmica de fluidos compressíveis, viscosos ou não, em formulação Euleriana, com base no algoritmo CBS – characteristic based split. Então o código desenvolvido é adaptado para poder ser acoplado a um programa de formulação Lagrangeana para análise dinâmica de estruturas, o que é feito através do emprego da descrição Lagrangeana - Euleriana arbitrária (ALE). Por fim procede-se o acoplamento com um código para análise de estruturas, de formulação posicional e não linear geométrica, baseado no método dos elementos finitos. / The present work consists of the development of a computational code based on the element finite method for fluid-structure interaction analysis. A two-dimensional fluid dynamic Eulerian code is developed based on the CBS algorithm – characteristic based split. Then, the computational code is modified to be coupled with a Lagrangean structures dynamical code by using the arbitrary Lagrangean – Eulerian description (ALE). At the end, the coupling is made with a positional nonlinear geometrical structural dynamics code based on the finite element method.

Um dos grandes desafios da engenharia atualmente é viabilizar soluções computacionais que reduzam o tempo de processamento e forneçam respostas ainda mais precisas. Frequentemente surgem propostas com as mais diversas abordagens que exploram novas formas de resolver tais problemas ou tentam, ainda, melhorar as soluções existentes. Uma das áreas que se dedica a propor tais melhorias é a computação paralela e de alto desempenho - HPC (High Performance Computing). Técnicas que otimizem o tempo de processamento, algoritmos mais eficientes e computadores mais rápidos abrem novos horizontes possibilitando realizar tarefas que antes eram inviáveis ou levariam muito tempo para serem concluídas. Neste projeto propõe-se a implementação computacional de uma arquitetura de computação paralela com o intuito de resolver, de forma mais eficiente, em comparação com a arquitetura sequencial, problemas de Dinâmica dos Fluidos e Interação Fluido-Estrutura e que também seja possível estender esta arquitetura para a resolução de outros problemas relacionados com o Método dos Elementos Finitos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um algoritmo computacional eficiente em linguagem de programação científica C++ e CUDA - de propriedade da NVIDIAr - tendo como base trabalhos anteriores desenvolvidos no LMC (Laboratório de Mecânica Computacional) e, posteriormente, com a arquitetura desenvolvida, executar e investigar problemas de Dinâmica dos Fluidos e Interação Fluido-Estrutura (aplicando o método dos Elementos Finitos com Fronteiras Imersas e a solução direta do sistema de equações lineares com PARDISO) com o auxílio dos computadores do LMC. Uma análise de sensibilidade para cada problema é realizada de forma a encontrar a melhor combinação entre o número de elementos da malha de elementos finitos e o speedup, e posteriormente é feita uma análise comparativa de desempenho entre a arquitetura paralela a sequencial. Com uma única GPU conseguiu-se uma considerável redução no tempo para o assembly das matrizes globais e no tempo total da simulação. / One of the biggest challenges of engineering is enable computational solutions that reduce processing time and provide more accurate numerical solutions. Proposals with several approaches that explore new ways of solving such problems or improve existing solutions emerge. One of the biggest areas dedicated to propose such improvements is the parallel and high performance computing. Techniques that improve the processing time, more efficient algorithms and faster computers open up new horizons allowing to perform tasks that were previously unfeasible or would take too long to complete. We can point out, among several areas of interest, Fluid Dynamics and Interaction Fluid-Structure. In this work it is developed a parallel computing architecture in order to solve numerical problems more efficiently, compared to sequential architecture (e.g. Fluid Dynamics and Fluid-Structure Interaction problems) and it is also possible to extend this architecture to solve different problems (e.g. Structural problems). The objective is to develop an efficient computational algorithm in scientific programming language C ++, based on previous work carried out in Computational Mechanics Laboratory (CML) at Polytechnic School at University of São Paulo, and later with the developed architecture, execute and investigate Fluid Dynamics and Fluid-Structure Interaction problems with the aid of CML computers. A sensitivity analysis is executed for different problems in order to assess the best combination of elements quantity and speedup, and then a perfomance comparison. Using only one GPU, we could get a 10 times speedup compared to a sequential software, using the Finite Element with Immersed Boundary Method and a direct solver (PARDISO).

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation des interactions fluide-structure entre un fluide visqueux, incompressible et une structure pouvant être déformable. Après avoir présenté les différentes approches possibles de modélisation, nous introduisons une nouvelle méthode de type frontière immergée : la méthode IPC ("Image Point Correction"). Combinant approches Ghost-Cell et Pénalisation, cette méthode mixte du second degré globalement et localement en vitesse, est validée sur différents cas tests (comparaisons des coefficients aérodynamiques pour des cylindres fixes ou mobiles, sédimentation 2D d'un cylindre). Nous avons ensuite appliqué la méthode IPC à la simulation de la nage. Dans un premier temps, le solveur 2D a été couplé avec un algorithme d'optimisation mathématique afin de déterminer la loi de nage optimale pour une géométrie de poisson donnée. Puis, dans un second temps, nous avons simulé la nage 3D après reconstruction approchée de la géométrie, basée sur des images du nageur. Enfin, grâce à l'outil du squelette, une reconstruction réaliste du poisson est proposée. / The aim of this thesis is to investigate the modeling of fluid-structure interactions. The fluid is viscous and incompressible, and the structure is subject to an imposed deformation. After a survey of the different existing approachs to model fluid-structure interactions, we introduce a new immersed boundary method: the IPC method (”Image Point Correction”). This ap-proach merges Ghost-Cell and Penalty concepts. It is globally and locally second order in velocity, and it is validated through several canonical simulations. Then, we apply the IPC method to fish-like swimming. First, the 2D solver is paired up with a mathematical optimization algorithm to determine the optimal swimming law for a given fish geometry. Secondly, we simulate a 3D swimmer after performing an approximated reconstruction of the geometry based on actual fish pictures. Finally, thanks to the skeleton approach, a realistic reconstruction of the fish is exposed.

Le but de cette étude est d’étudier l’utilisation d’interactions fluide-structure (FSI) pour améliorer le transfert de chaleur et les performances de mélange dans des échangeurs-réacteurs multifonctionnels, et d’évaluer des configurations pour lesquelles l’objectif est de produire et de maintenir un régime dynamique auto-entretenu d’oscillations des générateurs de tourbillons flexibles. Dans un premier temps, deux études numériques ont été réalisées pour des écoulements laminaires bidimensionnels. Les résultats montrent qu’un minimum de trois générateurs de tourbillons alternés est nécessaire pour produire une instabilité qui engendre les oscillations de larges amplitudes. L’ajout de deux promoteurs coplanaires en amont déstabilise l’écoulement en créant des forces périodiques agissant sur les générateurs de tourbillons en aval. Il en résulte une augmentation de la vitesse réduite qui impose un blocage en fréquence des oscillations des générateurs de tourbillons en aval. Dans cette configuration, des oscillations de larges amplitudes sont obtenues pour uniquement deux générateurs de tourbillons en aval. Les oscillations des générateurs de tourbillons produisent une vorticité intense qui a une incidence positive que le transfert de chaleur et sur le mélange. Dans un second temps, une configuration tridimensionnelle HEV incluant des générateurs de tourbillons trapézoïdaux flexibles orientés a 45◦ vers l’amont est étudiée par simulations numériques. Une analyse FFT réalisée sur les coefficients issus d’une analyse POD montre un pic fréquentiel correspondant aux formations et lâchers tourbillonnaires périodiques. Cette fréquence dominante correspond bien au mode propre d’oscillation des générateurs de tourbillons et engendre ainsi de larges amplitudes d’oscillations. / The aim of this study is to investigate the use of fluid-structure interaction (FSI) to improve heat transfer and mixing performances in multi-functional heat exchangers/reactors, and to evaluate configuration designs where the main target is to produce and maintain self-sustained oscillations of flexible vortex generators. At first, two dimensional laminar flow studies are numerically investigated. The results show that a minimum of three alternating flaps is needed to produce an instability that leads to large displacement oscillations. However, the introduction of two co-planar flaps upstream destabilizes the flow by creating periodic forces that act on the alternating downstream flaps. Hence, this results in artificially increasing the reduced velocity that will induce the alternating flaps to be in a lock-in state. Thus in this case, large displacement amplitudes are created with two alternating flaps only. The free flaps oscillations produce vortices of higher strength which have a positive impact on heat transfer and mixing. Secondly, a three dimensional HEV configuration with flexible trapezoidal vortex generators inclined with an angle of 45◦ with respect to the wall and reversed opposite to the flow direction is numerically investigated. Fast Fourier Transformation is applied on the temporal variation of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) coefficientswhich displays a dominant peak in the flow and corresponds to the vortices periodic formation and detachment. This dominant frequency synchronizes well with the structural oscillation frequency and the fundamental frequency of the tabs reaching a lock-in state and leading to large oscillation amplitudes.

Heart disease is the leading cause of death in the world. Therefore, numerous studies are undertaken to identify indicators which can be applied to discover cardiac dysfunctions at an early age. Among others, the fluid dynamics of the blood flow (hemodymanics) is considered to contain relevant information related to abnormal performance of the heart.This thesis presents a robust framework for numerical simulation of the fluid dynamics of the blood flow in the left ventricle of a human heart and the fluid-structure interaction of the blood and the aortic leaflets.We first describe a patient-specific model for simulating the intraventricular blood flow. The motion of the endocardial wall is extracted from data acquired with medical imaging and we use the incompressible Navier-Stokes equations to model the hemodynamics within the chamber. We set boundary conditions to model the opening and closing of the mitral and aortic valves respectively, and we apply a stabilized Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) space-time finite element method to simulate the blood flow. Even though it is difficult to collect in-vivo data for validation, the available data and results from other simulation models indicate that our approach possesses the potential and capability to provide relevant information about the intraventricular blood flow.To further demonstrate the robustness and clinical feasibility of our model, a semi-automatic pathway from 4D cardiac ultrasound imaging to patient-specific simulation of the blood flow in the left ventricle is developed. The outcome is promising and further simulations and analysis of large data sets are planned.In order to enhance our solver by introducing additional features, the fluid solver is extended by embedding different geometrical prototypes of both a native and a mechanical aortic valve in the outflow area of the left ventricle.Both, the contact as well as the fluid-structure interaction, are modeled as a unified continuum problem using conservation laws for mass and momentum. To use this ansatz for simulating the valvular dynamics is unique and has the expedient properties that the whole problem can be described with partial different equations and the same numerical methods for discretization are applicable.All algorithms are implemented in the high performance computing branch of Unicorn, which is part of the open source software framework FEniCS-HPC. The strong advantage of implementing the solvers in an open source software is the accessibility and reproducibility of the results which enhance the prospects of developing a method with clinical relevance. / <p>QC 20171006</p>

La prédiction de mouvement de solide évoluant dans un fluide présente un réel intérêt pour des applications industrielles telle que l’accrétion de glace sur des surfaces aérodynamiques. Dans ce contexte, en considérant des systèmes de dégivrage, la prévision des trajectoire de glace est nécessaire pour éviter des risques de collision/ingestion de glace sur/dans des zones sensibles de l’avion. Ce type d’application soulève de nombreux challenges d’un point de vue numérique, en particulier concernant la génération/l’adaptation de maillage au cours du mouvement du solide dans le domaine. Pour gérer ces difficultés, dans cette étude, les solides sont définis de manière implicite via une fonction level set. Une méthode de type frontière immergée, appelée Pénalization, est utilisée pour imposer les conditions de bords. Pour améliorer la précision de l’interface, les équations sont résolues sur des maillages non structurés adaptatifs. Cela permet d’obtenir un raffinement proche des bords du solide et ainsi d’améliorer sa définition, permettant un meilleure impositions des conditions de bord. Pour économiser du temps de calcul, et éviter de coûteuses étapes de remaillage/interpolation, la stratégie adoptée pour les simulations instationnaires est d’utiliser une adaptation de maillage à connectivité constante, aussi appelée r-adaptation. / The prediction of solid motion evolving in a fluid presents a real interest for engineering application such as ice accretion on aerodynamics bodies.In this context, considering de-icing systems, the ice shedding trajectory is needed to prevent the risk of collision/ingestion of the ice in/with some sensitive part of the aircraft. This application raises many challenges from a numerical point of view, especially concerning mesh generation/adaptation as the solid moves in the computational domain. To handle this issue, in this work the solids are known implicitly on the mesh via a level set function. An immersed boundary method, called penalization, is employed to impose the wall boundary conditions. To improve the resolution of these boundaries, the equations are solved on adaptive unstructured grids. This allows to have are finement close to the solid boundary and thus increases the solid definition,leading to a more accurate imposition of the wall conditions. To save computational time, and avoid costly remeshing/interpolation steps, the strategy chosen for unsteady simulations is to use a constant connectivity mesh adaptation,also known as r-adaptation