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. / Characterization of heat transfer mechanisms between an incompressible fluid flow and solid structure is the main objective of the proposed work. From a solver developed within the team, we particularly focused on strategies for coupling with a solid solver to address both energy and structure motion. In our approach, the model treating solid part is the solver ASTER and specific attention was paid to the coupling strategy. In the fluid / structure coupling part, reference cases were performed with increasing complexity and immersed boundaries was investigated. The change in topology for the Immersed Boundary Method enhances here and there some numerical instability and the latter can be more or less damped by hybrid techniques in the treatments to submerged borders.Despite such limitations, the solver is able to handle large deformation ensuring robust and fast analysis for the characterization of strongly coupled mechanisms. To emphasize such a point, isothermal flow in a cavity representing a cold-cell was conducted as part of the research project OSEO. To our knowledge, the processing performed for the first time quantified the effect of opening (in the opening and closing of the doors of the cell phases) on the flow and heat exchange. Such modeling is then used to suggest improvements to the geometry being analyzed.

Approved for public release; distribution is unlimited / The purpose of this thesis is to lay the foundation for analyzing structural coupling effects for a proposed trolley interface between a ship and a roll-on roll-off discharge facility (RRDF). Such a facility could allow heavy cargo transfer at higher sea states. Previous studies have analyzed motions assuming that there is no structural coupling between the trolley and the RRDF. A mathematical model that incorporates structural coupling is developed using the principle of virtual work. In order to assess the degree of necessity for the proposed model we conduct a systematic series of numerical experiments. In these calculations we model the trolley through a generalized stiffness coefficient and assess its influence on RRDF motions. It is shown that modeling of structural coupling may be necessary depending on the relative order of magnitude of trolley structural rigidity and trolley placement. / Major, Republic of Singapore Navy

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L’introduction de fuselages et de pales de plus en plus légers durant le développement des nouveaux hélicoptères, combinée à une puissance disponible augmentée peut donner lieu à des couplages rotor/structure d’un nouveau genre. Ces instabilités complexes apparaissent à des fréquences plus élevées que les couplages connus et étudiés tels que les résonances sol et air, et impliquent des modes de pale souple, des modes de structure, et des phénomènes aérodynamiques. Des codes de calcul multi-corps aéromécaniques tels que HOST sont capables de déterminer la stabilité de l’hélicoptère, mais sont difficilement modifiables et manipulables. Des modèles analytiques existent également pour les instabilités maîtrisées citées précédemment, mais n’ont pas les capacités de modélisation nécessaires à la prédiction de ces couplages haute fréquence. Ce travail de thèse se concentre sur le développement d’un modèle semi-analytique, capable de prédire la stabilité de l’hélicoptère vis-à-vis de ces phénomènes. Cette approche est différente de l’approche multi-corps et a un double avantage car elle permet des études paramétriques rapides et une analyse terme à terme des équations de la dynamique de l’hélicoptère. Ce modèle a été validé à l’aide de HOST et le mécanisme de l'instabilité a été détaillé. Enfin, l’influence des paramètres de rotor, de structure, et de vol a été évaluée et les considérations architecturales pour éviter l'apparition de tels phénomènes sont présentées. / The introduction of lightweight fuselages and blades during new developments, combined with an increased available power, may lead to the triggering of a new kind of rotor/structure coupling. These complex instabilities appear at higher frequencies than known and studied couplings, such as ground and air resonance, and involve elastic blade modes, structure modes, and aerodynamic phenomena. Comprehensive analysis codes, like HOST, are able to determine the helicopter stability but can hardly be tweaked and handled. Rotor/structure coupling analytical models also exist for ground and air resonance, but do not have the modeling capabilities required to predict these high frequency couplings. This research work focuses on the development of a semi-analytical model, able to predict the helicopter stability with respect to these phenomena. This approach has a two-fold advantage since fast parametric studies can be carried out and a term-by-term analysis of the helicopter stability equations can be performed. This model has been validated with HOST and the triggering mechanism has been detailed. Finally, the influence of rotor, structure, and flight parameters has been evaluated and architectural considerations to avoid the appearance of such couplings are presented.

L'étude des bruits aéronautique et hydroacoustique fait l'objet d'une forte demande industrielle en matière de recherche. En effet, dans le domaine des transports, l'écoulement du fluide sur la structure s'avère être une source de nuisance sonore non négligeable. La compréhension de ce type d'excitation est donc nécessaire pour minimiser leur impact. L'objectif de cette étude est d'identifier la pression pariétale turbulente excitant une structure à partir d'une méthode inverse vibratoire RI (Résolution Inverse) et de ses variantes RIFF (Résolution Inverse Filtrée Fenêtrée) et RIC (Résolution Inverse Corrigée). Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées au domaine aéronautique. L'influence de la vitesse de l'écoulement sur la partie acoustique de l'excitation et la difficulté rencontrée pour identifier la totalité de la pression responsable de la vibration de la structure sont mises en avant.Dans un second temps, une application des méthodes au domaine naval est proposée. La capacité des méthodes à isoler la composante acoustique de l'excitation est mise en avant à travers des simulations. L'influence du couplage fluide-structure est étudiée et une méthode permettant de le prendre en compte est présentée. La potentialité de la méthode RIC est confirmée à travers une campagne de mesure réalisée à la DGA Techniques Hydrodynamiques. / The study of aeroacoustic and hydroacoustic noises is an important industrial research field. For example, in the transport industry, flows induced by a fluid over a structure, create a source of internal noise which cannot be neglected. To minimize its impact, it is necessary to have a good knowledge of this kind of excitation.The aim of this study is to identify the turbulent wall pressure which excites the structure, for the aeronautic and naval domains, by using an inverse vibration method, such as FAT (Force Analysis Technique) and its variations FWFAT (Filtered Windowed Force Analysis Technique) and CFAT (Corrected Force Analysis Technique).First, the methods are applied to the aeronautic domain. The influence of the flow velocity on the acoustic field and the difficulty to identify the pressure responsible for the structure vibration are pointed out.Second, an application to the naval domain is shown. The method ability to isolate the acoustic part of the excitation is introduced by using simulations. The significance of the fluid-structure coupling is studied and a method which allows taking it into account is proposed. The potentiality of CFAT method is confirmed with an experimental validation at DGA Techniques Hydrodynamiques.

In aeromechanical design one of the major rules is to operate under High Cyclic Fatigue (HCF) margins and away from flutter. The level of dynamic excitations and risk of HCF can be estimated by performing forced response analyses from blade row interaction forces or Low Engine Order (LEO) excitation mechanisms. On the other hand, flutter stability prediction can be assessed by calculation of aerodynamic damping forces due to blade motion. In order to include these analyses as regular practices in an industrial aeromechanical design process, interaction between the fields of fluid and structural dynamics must be established in a rather simple yet accurate manner. Effects such as aerodynamic and structural mistuning should also be taken into account where parametric and probabilistic studies take an important role. The present work presents the development and validation of a numerical tool for aeromechanical design. The tool aims to integrate in a standard and simple manner regular aeromechanical analysis such as forced response analysis and aerodynamic damping analysis of bladed disks. Mistuning influence on forced response and aerodynamic damping is assessed by implementing existing model order reduction techniques in order to decrease the computational effort and assess results in an industrially applicable time frame.  The synthesis program solves the interaction of structure and fluid from existing Finite Element Modeling (FEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers inputs by including a mapping program which establishes the fluid and structure mesh compatibility. Blade row interaction harmonic forces and/or blade motion aerodynamic damping forces are inputs from unsteady fluid dynamic solvers whereas the geometry, mass and stiffness matrices of a blade alone or bladed disk sector are inputs from finite element solvers. Structural and aerodynamic damping is also considered. Structural mistuning is assessed by importing different sectors and any combinations of the full disk model can be achieved by using Reduced Order Model (ROM) techniques. Aerodynamic mistuning data can also be imported and its effects on the forced response and stability assessed. The tool is developed in such a way to allow iterative analysis in a simple manner, being possible to realize aerodynamically and structurally coupled analyses of industrial bladed disks. A new method for performing aerodynamic coupled forced response and stability analyses considering the interaction of different mode families has also been implemented. The method is based on the determination of the aerodynamic matrices by means of least square approximations and is here referred as the Multimode Least Square (MLS) method. The present work includes the program description and its applicability is assessed on a high pressure ratio transonic compressor blade and on a simple blisk. / QC 20110324 / Turbopower / AROMA

<p>In aeromechanical design one of the major rules is to operate under High Cyclic Fatigue (HCF) margins and away from flutter. The level of dynamic excitations and risk of HCF can be estimated by performing forced response analyses from blade row interaction forces or Low Engine Order (LEO) excitation mechanisms. On the other hand, flutter stability prediction can be assessed by calculation of aerodynamic damping forces due to blade motion. In order to include these analyses as regular practices in an industrial aeromechanical design process, interaction between the fields of fluid and structural dynamics must be established in a rather simple yet accurate manner. Effects such as aerodynamic and structural mistuning should also be taken into account where parametric and probabilistic studies take an important role.</p><p>The present work presents the development and validation of a numerical tool for aeromechanical design. The tool aims to integrate in a standard and simple manner regular aeromechanical analysis such as forced response analysis and aerodynamic damping analysis of bladed disks.</p><p>Mistuning influence on forced response and aerodynamic damping is assessed by implementing existing model order reduction techniques in order to decrease the computational effort and assess results in an industrially applicable time frame.  The synthesis program solves the interaction of structure and fluid from existing Finite Element Modeling (FEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers inputs by including a mapping program which establishes the fluid and structure mesh compatibility. Blade row interaction harmonic forces and/or blade motion aerodynamic damping forces are inputs from unsteady fluid dynamic solvers whereas the geometry, mass and stiffness matrices of a blade alone or bladed disk sector are inputs from finite element solvers. Structural and aerodynamic damping is also considered.</p><p>Structural mistuning is assessed by importing different sectors and any combinations of the full disk model can be achieved by using Reduced Order Model (ROM) techniques. Aerodynamic mistuning data can also be imported and its effects on the forced response and stability assessed. The tool is developed in such a way to allow iterative analysis in a simple manner, being possible to realize aerodynamically and structurally coupled analyses of industrial bladed disks. A new method for performing aerodynamic coupled forced response and stability analyses considering the interaction of different mode families has also been implemented. The method is based on the determination of the aerodynamic matrices by means of least square approximations and is here referred as the Multimode Least Square (MLS) method.</p><p>The present work includes the program description and its applicability is assessed on a high pressure ratio transonic compressor blade and on a simple blisk.</p> / Turbopower / AROMA

Dans la conception des turbomachines modernes, la prédiction des phénomènes aéroélastiques est devenue un point clé. La tendance à réduire la masse et à augmenter la charge des composants aérodynamiques accroit le risque de rupture. Dans un tel contexte, la compréhension et la bonne prédiction des diverses instabilités constituent un enjeu industriel et scientifique majeur. Le présent travail de recherche a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes instationnaires intervenant dans les problèmes d’aéroélasticité en turbomachines. Cette thèse est plus particulièrement axée sur la simulation de l’interaction onde de choc/couche limite. Le support d’étude est une tuyère transsonique présentant un écoulement avec des zones décollées. L’oscillation forcée de l’onde de choc est simulée grâce à une méthode de petites perturbations instationnaires couplée avec une hypothèse de turbulence variable. Cette approche est validée par comparaison avec des mesures. Elle permet une prédiction tout à fait satisfaisante du premier harmonique de pression sur la paroi de la tuyère. Ce travail a montré la nécessité de linéariser le modèle de turbulence. Le besoin de dériver le modèle de turbulence nous a amené à investiguer la modélisation faite pour prédire l’interaction onde de choc/couche limite. Un modèle de turbulence à deux équations complété par une équation de « retard » est implémenté afin de capter un déséquilibre de la turbulence. Les résultats obtenus en tuyère sont cohérents avec la théorie mais une surproduction d’énergie turbulente en présence de bord d’attaque rend le modèle inefficace pour des configurations de turbomachines. Au final, l’introduction d’un limiteur de viscosité turbulente dans un modèle de turbulence à deux équations s’avère donner de bons résultats. La méthode de dérivation du modèle est alors présentée sur le modèle de Wilcox proposé en 2008. Enfin, la technique de linéarisation est étendue à la problématique aéroélastique. Une approche de couplage fluide-structure faible est adoptée. L’oscillation structurelle des aubages suivant les modes propres est considérée mais en laissant la fréquence évoluer au cours du couplage. La nouvelle méthode utilisée s’appuie sur la construction d’un méta-modèle du comportement dynamique du fluide afin de résoudre directement le système fluide-structure couplé. Cette technique est validée sur une configuration de grille annulaire de turbine en haut subsonique et présente l’avantage d’un temps de calcul réduit. / In modern turbomachinery design, predicting aerolastic phenomena has become a key point. The development of highly loaded components, while reducing their weight, increases the risk of failure. In this context, good understanding and prediction of various instabilities are a major industrial and scientific challenge. This research work aims to improve the prediction of unsteady phenomena involved in turbomachinery aeroelasticity. This study focuses especially on the simulation of shock wave/boundary layer interaction. To begin with, a transonic nozzle separated flow is investigated. Forced oscillation of the shock wave system is simulated through a small unsteady perturbation method combined with the assumption of variable turbulence. This approach is validated against exprimental measurements. The first harmonic of pressure on the wall of the nozzle is predicted quite satisfactorily. The need to linearize the turbulence model was shown of high importance. Deriving the turbulence model, leads us to investigate the turbulence modeling performed to predict the shockwave/boundary layer interaction. A two equations turbulence model supplemented by a "time-lagged" equation is implemented to capture non-equilibrium effects of turbulence. All achieved results for a nozzle are consistent with theory, but overproduction of turbulent kinetic energy at leading edge makes the model useless for turbomachinery configurations. However, the introduction of an eddy viscosity stress limiter inside a two-equation turbulence model proves to give good results. The derivation method is thus presented on such a model, precisely on Wilcox model proposed in 2008. Finally, the linearization technique is extended to aeroelastic problems. A loose fluid-structure coupling strategy is adopted. The structural oscillation of the blades is considered for eigen-modes but frequency is free to change during coupling resolution. The new approach is based on the building of a meta-model to describe the fluid dynamic behavior in order to solve directly the coupled fluid-structure system. This technique is validated on a standard high subsonic turbine configuration and takes advantage of a reduced computation time.

La sûreté des réacteurs nucléaires constitue une condition primordiale et nécessaire à leur industrialisation. Pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, cette sûreté passe par la possibilité de détection d’une fuite d’eau dans le sodium au niveau du générateur de vapeur à des stades très précoces de leur déclenchement. Le présent travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une technique non intrusive pour la détection d’une réaction sodium-eau dans le générateur de vapeur d’un réacteur nucléaire refroidi au sodium. On désire identifier le bruit vibratoire de cette réaction à partir de mesures d’accélération sur la virole externe du générateur. Cependant, les vibrations dues à la fuite peuvent être noyées dans le bruit généré par l’écoulement du sodium ou par d’autres sources d’excitation. Afin d’augmenter, le rapport signal à bruit, on s’intéresse à l’apport d’un filtrage spatial par formation de voies pour ce type de système. Ce dernier se caractérise notamment par la présence d’un couplage structure-fluide lourd (c.-à-d. virole-sodium) et des modes vibroacoustiques qui apparaissent aux mêmes fréquences d’intérêt pour la détection de la fuite. Pour réaliser cette étude, nous considérons une maquette expérimentale composée d’une conduite cylindrique reliée à un circuit hydraulique par deux brides très rigides. La source à identifier est simulée par un hydrophone de taille réduite en mode émetteur positionné à l’intérieur de la conduite par un dispositif mécanique dédié à cet effet. Le bruit perturbateur est induit par l’écoulement de l’eau, supposé turbulent à partir d’un certain débit. L’antenne est composée de vingt-cinq accéléromètres placés sur la conduite d’essai. L’objectif consiste à traiter simultanément les signaux accéléromètriques pour faire ressortir le signal de la fuite tout en rejetant le bruit dû à l’écoulement. Deux types de traitement par formation de voies sont considérés : la formation de voies conventionnelle (dites de Bartlett) et une formation de voies optimisée qui vise à maximiser le rapport signal à bruit de la fuite. / The safety of nuclear reactors represents a necessary and vital condition for the exploitation of nuclear plants with liquid-cooled cores. This safety passes by the ability to detect and anticipate the earliest stages of a water leak into sodium within the heat generator. The study detailed in this manuscript has been initiated in a framework aiming to develop nonintrusive detection techniques for sodium water chemical reactions. Its main goal is to uncover the signal of a water leak into sodium, based on the measurements of the vibratory field recorded by the means of accelerometers externally mounted on the heat generator shell. However, such a spectrum is masked by the plant general background noise, especially that generated by heavy fluid flow (i.e. sodium flow) during actual operating times of the power plant. In order to increase the signal-to-noise ratio of the leak, beamforming technique for the acceleration measurements of the mechanical system is considered. The aforementioned system is characterized by a strong non-linear coupling between the the heat generator’s cylindrical shell and the heavy fluid in motion. In particular, fluid motion and the acoustic emission of the leak seem to excite some eigen modes of the cylinder, at these same frequencies where the acoustic signature of the leak is at its highest amplitude. For the purpose of our study, a cylindrical mock-up connected by some very rigid links to a hydraulic circuit is considered. A hydrophone emission excites the mock-up from within and is being accounted for the acoustic leak. Water flows inside the cylinder at turbulent Reynolds number. An array of twenty-five accelerometers is mounted on the mock-up shell using ceramic insulators. The main goal is to combine the twenty-five signals in such a way that allows the increase of the SNR for the acoustic source while rejecting water flow noise. Two beamforming techniques are applied and compared: classical Bartlett beamforming as well as optimized beamforming for SNR maximization (Max SN

Le but du travail présenté est la compréhension puis la simulation numérique des mécanismes d'érosion des augets de turbine Pelton par impacts répétés de gouttes d'eau dans le but de prédire la durée de vie des composants. Tout d'abord, les phénomènes de propagation d'ondes dans les milieux fluide et solide sont étudiés. Cela permet de mettre en lumière l'évolution temporelle et la distribution spatiale des pressions de contact, et l'apparition de microjets par éjection supersonique du fluide au contact. Les études expérimentales de l'érosion par gouttes d'eau traduisent un dommage basé sur la fissuration par fatigue. Des simulations numériques en dynamique rapide couplées fluide-structure sont alors effectuées. Le domaine solide est discrétisé par la Méthode des éléments Finis (MEF), et le domaine fluide par la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), qui est une méthode particulaire (sans maillage) particulièrement adaptée aux grandes distorsions et au suivi des surfaces libres. L'analyse des états de contraintes vient corroborer la nature cyclique de l'endommagement. La simulation d'érosion est alors réalisée à l'aide de critères de fatigue multiaxiaux. Le choix se porte vers un premier critère général de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), utilisant les valeurs principales des différences de contraintes au cours du temps. Le second choix concerne un critère à plan critique : le critère de Dang Van 2. Il traite séparément la contrainte hydrostatique et le cisaillement alterné maximal local. Ces critères permettent de définir les régions érodées du solide au bout d'un nombre d'impact donné, ce qui fait de cette démarche une méthode prédictive. Une étude paramétrique pour différentes tailles de gouttes et vitesses d'impact est ensuite réalisée, puis on évalue l'influence de la présence d'une couche de coating. / The goal of this work is the comprehension and the numerical simulation of erosion caused by repeated droplet impact on Pelton turbine buckets, to predict the lifetime of these components. First, waves propagation phenomenon inside fluid and solid domains are presented, which allows determining the time evolution and spatial distribution of contact pressure, and the birth of lateral microjets by supersonic ejection of the fluid on the contact. Experimental studies of erosion by droplet impact highlight a fatigue cracking-based erosion mechanism. Then, coupled FSI computation are performed. The solid subdomain is discretized by the Finite Element Method (FEM), and the fluid subdomain by the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), which is a particle method (meshless) effectively recommended for large distortions and free surface tracking. Stress analysis confirms the cyclic nature of the damage mechanism, and erosion simulation is performed using multiaxial fatigue criteria. The first selected criterion is a general one from the American Society of Mechanical Engineers (ASME) using principal values of stress differences over time. The second one is the Dang van 2 criterion, belonging to the family of critical plane criteria. This criterion considers separately the effects due to hydrostatic stress on one hand, and the ones induced by maximum local shear on the other. These two criteria are used to building the equivalent eroded zones of the solid subdomain for a given number of impacts, which allows to qualify this procedure as a predictive predictive. Finally, a parametric study for different droplet sizes and velocites is computed, and the effects of a coating layer are investigated.