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<p> The research reported in this thesis concentrated on experimentally investigating and theoretically modelling self-excited valve vibrations. In particular the jet-flow inertia mechanism has been studied. Experimentally, this has been achieved by allowing water to discharge from a constant head tank into a pipeline through a simple plug valve. The plug valve was restrained so that axial vibrations of the plug valve could occur. Using this equipment the conditions for which the valve was stable and unstable was obtained. Further experimental investigation using a Laser Doppler Anemometer allowed for recording of instantaneous fluid discharge during the valve limit cycles. In addition the records of the instantaneous pressure difference and valve opening allowed for instantaneous discharge coefficient calculations. Although no trends in these instantaneous discharge coefficients were apparent, these particular experiments allowed for improved modelling of the valve vibration. </p> <p> Dimensionless nonlinear differential equations were derived to describe general flow control devices. A stability analysis of these differential equations showed that at large fluid inertias that the instability that arises is one of divergence, hence a quasistatic stability analysis is valid. Numerical integration of the differential equations of motion was used to predict limit cycles as well as valve stability. </p> <p> The divergence formula derived for large fluid inertia was found to coincide with the corresponding experimental results. Other predictions were found to generally agree with experimental results. Discrepancies which did arise were attributed to waterhammer. Hence the theory derived was concluded to be fundamentally correct. Recommendations for further research include inclusion of waterhammer in the model and investigation of local flow effects. </p> / Thesis / Master of Engineering (ME)

L'étude des instabilités aéro-élastiques, le flottement notamment, a été initiée au milieu du vingtième siècle, suite à de nombreux accidents de rupture d'aile d'avions ou de tabliers de ponts. L'un des accidents les plus connus est l'effondrement du pont de Tacoma, quelques mois après sa mise en service en 1940.Le flottement est une vibration synchronisée d'une structure souple se déplaçant dans un milieu fluide. Il se produit lorsque deux mouvements rythmiques réguliers coïncident de telle façon que l'un alimente l’autre, tirant l'énergie supplémentaire de l'écoulement environnant. Un cas classique de flottement d'aile d’avion consiste en la combinaison de mouvements de flexion et de torsion. Ce travail pose la problématique des instabilités par couplage fluide structure des surfaces portantes dans l’eau, les instabilités hydro-élastiques. Une différence importante par rapport aux instabilités aéroélastiques est le fait que la structure souple évolue dans un fluide lourd, ce qui implique en particulier des effets de masse ajoutée et d'amortissement fluide a priori importants. Le flottement est apparu pour la première fois sur les quilles composites des voiliers de compétition, donc dans l'eau, en 2004 :• Sur le voilier IMOCA 60 pieds POUJOULAT-ARMORLUX de Bernard Stamm, pendant la course transatlantique «The Transat» : il a perdu sa quille et chaviré.• Sur le voilier IMOCA 60 pieds SILL de Rolland Jourdain: la quille et le bateau ont été sauvés. Suite à ces problèmes - en particulier suite à la perte de la quille du voilier de Bernard Stamm, un accident qui aurait pu avoir des conséquences dramatiques pour le skipper – la société HDS, spécialisée dans la conception et le dimensionnement de structures composites, notamment dans le domaine du nautisme, s’est penchée sur le phénomène. Le flottement ne s'est produit que sur des quilles composites basculantes de voilier IMOCA 60 pieds et VOLVO 70 pieds. Les principales questions posées sont donc "Pourquoi les quilles composites sont-elles susceptibles de flotter, et est-il possible de prévoir et de prévenir ce comportement ?", puis "Une bonne estimation de la vitesse critique de flottement d'une quille peut-elle être calculée à moindre frais ?".Ce travail présente les méthodes analytiques, expérimentales et numériques mises en œuvre pour estimer la vitesse critique de flottement pour différents types d'appendices dans l'eau. Des modèles, basés sur une base modale tronquée pour les modes les plus énergétiques qui sont généralement, pour une quille à bulbe, le mode de flexion prépondérante et le mode de torsion prépondérante, sont développés et un outil de conception est proposé. Une des exigences de ce travail était, en effet, de réaliser un outil simple pour intégrer le calcul de la vitesse critique de flottement dans les premières boucles de conception d'une quille composite ou acier. Les modèles proposés, qui donnent de bons résultats pour les deux cas de flottement de quille présentés ci-dessus, sont confrontés à des résultats expérimentaux et à des simulations multiphysiques en couplage fluide structure réalisées en utilisant le logiciel ADINA. Enfin, une étude paramétrique est proposée présentant l'influence des principaux paramètres de conception sur l'apparition des instabilités. / The study of aeroelastic instabilities, including flutter, was initiated in the mid-twentieth century, following numerous accidents breaking wing aircraft or bridge decks. One of the most famous accidents is the collapse of the Tacoma Narrows Bridge, a few months after its commissioning in 1940.Flutter is a synchronized vibration which takes place in a flexible structure moving through a fluid medium. It occurs when two regular, rhythmic motions coincide in such a way that one feeds the other, drawing additional energy from surrounding flow. A classic case of wing flutter might combine wing bending with either wing twisting. This work raises the issue of instabilities in fluid-structure coupling for hydrofoils in water. An important difference from the flutter phenomenon in air is the fact that the flexible structure is evolving in heavy fluid; this implies in particular added mass effects and important fluid damping. Flutter appeared for the first time on racing yacht keels with composite fins, so in water, in 2004 :• On the IMOCA 60 feet boat POUJOULAT-ARMORLUX of Bernard Stamm during the transatlantic race 'TheTransat': he lost his keel and capsized.• On the IMOCA 60 feet boat SILL Rolland JOURDAIN: the keel and the boat were saved. Following these problems - particularly following the loss of the keel of Bernard Stamm sail-boat, accident that could have dramatic consequences for the skipper - HDS company, which is is a major player in the design of complex composite parts, especially for racing sailing yachts, focused on the phenomenon. Flutter has occurred only for canting keels with composite fins on IMOCA 60 feet and VOLVO 70 feet racing yacht. The main questions asked are “Why are composite keels susceptible to flutter, and is it possible to predict and prevent this behaviour?”, then “Can a fair indication of the flutter critical speed of the keel be given at low cost? ». This work presents the analytical, experimental and numerical methods implemented to estimate the critical speed for different types of appendages in water. Models, based on a truncated modal for most energetic modes which are generally, for a bulb keel, the lateral bending predominant mode and the torsion predominant mode, are developed and a design tool is proposed. One of the requirements of this work was to make a simple tool to integrate the calculation of the flutter critical speed in the first design loops of a composite or steel keel. The proposed models that give good results for both flutter cases on keels presented above, are confronted with experimental results and with fluid-structure multiphysic simulations performed using the software ADINA. Finally, a parametric study is proposed with the influence of the main design parameters on the occurrence of instabilities.

L'interaction fluide-structure vise à étudier le contact entre un fluide et un solide. Ce phénomène est très présent lors de l’impact d’une vague sur une structure ou l’inverse. La réponse de la structure peut être fortement affectée par l'action du fluide. L'étude de ce type d'interaction est motivée par le fait que les phénomènes résultants sont parfois catastrophiques pour les structures composites ou constituent dans la majorité des cas un facteur dimensionnant important. Le fluide est caractérisé par son champ de vitesse et de pression. Il exerce des forces aérodynamiques ou hydrodynamiques sur l'interface de la structure qui subit des déformations sous leurs actions. Ces déformations peuvent affecter localement le champ de l'écoulement et donc les charges appliquées. Ce cycle des interactions entre le fluide et le solide est caractéristique du phénomène de slamming. Pour une conception optimale des structures marines, la vitesse du navire est devenue un paramètre important. Par conséquent, les exigences de conception ont été optimisées par rapport au poids structurel. D'autre part, l'apparition des structures composites au cours des dernières décennies a favorisé l'exploitation de ces matériaux dans les grands projets de construction pour les applications marines et aérospatiales. Ceci est dû à la nature de leurs propriétés mécaniques, car elles présentent un rapport rigidité / poids élevé. En revanche, l'interaction entre les structures déformables et la surface libre de l'eau peut affecter le flux du fluide en contact avec la structure ainsi que et les charges hydrodynamiques estimées par rapport au corps rigide, en raison de l'apparition des effets hydro-élastiques. En outre, ces structures sont toujours soumises à des mécanismes de dommages différents et complexes sous un chargement dynamique. Pour ces raisons, la flexibilité et les modes de défaillance dans les matériaux composites présentent une complexité supplémentaire pour prédire les charges hydrodynamiques lorsqu'il y a une interaction avec un fluide (l'eau). Ceci a présenté un défi majeur pour utiliser ces matériaux dans les applications maritimes. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée dans la phase de conception et l'analyse des performances pendant l'utilisation à vie. Les principales contributions de ce travail sont l’étude expérimentale et numérique du comportement dynamique des panneaux composites et la quantification de l'effet de la flexibilité de ces panneaux composites sur les charges hydrodynamiques et les déformations résultantes. Pour étudier ces effets, des panneaux composites stratifiés et sandwichs avec deux rigidités différentes sont soumis à diverses vitesses d'impact à l'aide d'une machine de choc équipée d'un système de contrôle de la vitesse. La résistance dynamique a été analysée en termes de charges hydrodynamiques, de déformations dynamiques et de mécanismes de défaillance pour différentes vitesses d'impact. L'analyse des résultats expérimentaux a montré que l’effort maximal augmente avec l’augmentation de la flexibilité des panneaux. D'autre part, le modèle numérique de tossage a été implémenté dans le logiciel Abaqus / Explicit basé sur l'approche du modèle Couplé Euler Lagrange (CEL). En outre, différents modes de défaillance des matériaux composites ont été développés et implémentés à l'aide d'une subroutine « VUMAT » définie par l'utilisateur et mis en œuvre dans le code de calcul éléments finis. Pour couvrir tous les modes de défaillance possibles dans les structures composites, l’implémentation de l’endommagement comprend : la rupture intralaminar, la décohésion de l'interface peau / âme et le cisaillement de l’âme. La confrontation des résultats expérimentaux avec les modèles numériques sur la prédiction de la force hydrodynamique et de la déformation du panneau valide l’approche adoptée. / Generally, when marine vessels encounter the water surface on entry and subsequently re-enter the water at high speed (slamming), this can subject the bottom section of the vessels to both local and global effects and generate unwanted vibrations in the structure, especially over very short durations. In marine design, the vessel speed has become an important aspect for optimal structure. Therefore, design requirements have been optimized in relation to the structural weight. In other hand, the appearance of the composite structures in the last decades has encouraged the exploitation of these structures in major construction projects for lightweight marine and aerospace applications. This is due to the nature of their mechanical properties which shows a high stiffness-to-weight ratio. In contrast, the interaction between deformable structures and free water surface can be modified the fluid flow and changed the estimated hydrodynamic loads comparing with rigid body, due to appearance of hydroelastic effects. Moreover, these structures are always subject to different and complex damage mechanisms under dynamic loading. For these reasons, the flexibility and the damage failure modes in composite materials introduce additional complexity for predicting hydrodynamic loads when interactive with water. This considered a key challenge to use these materials in marine applications. Therefore, special attention must be taken in the design phase and the analysis of performances during lifetime use. The main contributions of this work are the experimental and numerical study of the dynamic behavior of composite panels and the quantification of the effect of the flexibility of these structures on the hydrodynamic loads and the resulting deformations. To study these effects, laminate composite and sandwich panels with two different rigidities and subjected to various impact velocities have been investigated experimentally using high speed shock machine with velocity control system. The dynamic resistance was analysed in terms of hydrodynamic loads, dynamic deformation and failure mechanisms for different impact velocities. The general analysis of experiment results were indicated that more flexible panel has a higher peak force as velocity increases compared with higher stiffness panels. On the other hand, the slamming model was implemented in Abaqus/Explicit software based on Coupled Eulerian Lagrangian model approach (CEL). In addition, different damage modes are developed and constructed using a user-defined material subroutine VUMAT and implemented in Finite element method, including the intralaminar damage, debonding in skin/core interface, and core shear to cover all possible damage modes throughout structures. The numerical model gave a good agreement results in judging with experimental data for prediction of the hydrodynamic force and panel deformation. Additionally, this study gives qualitative and quantitative data which provides clear guidance in design phase and the evolution of performances during lifetime of composite structures, for marine structure designers.