La physique de nage d’une nageoire caudale flexible est étudiée expérimentalement grâce à une plaque flexible immergée dans un écoulement uniforme. Le bord d’attaque est forcé par un mouvement harmonique, tandis que le bord de fuite répond passivement au forçage. Une résonance en amplitude dans la réponse est mise en évidence et révèle une forte interaction entre les fréquences naturelles de la plaque et celles du forçage. Les résultats expérimentaux suggèrent un rôle non trivial de l’amplitude de forçage, qui souligne le rôle des non linéarités dans ce problème. Pour avoir une meilleure compréhension de l'origine de ces non linéarités, un modèle analytique faiblement non linéaire a été développé. Nous supposons une plaque d'épaisseur nulle immergée dans un écoulement potentiel, sujette à une force de traînée résistive. La déflection de la plaque a ensuite été décomposée en un mode rigide, mimant le forçage en pilonnement et en modes propres de flexion d’une poutre dans le vide. Les prédictions de la réponse en amplitude et en fréquence du système forcé sont alors calculées. Les fréquences de résonances, ainsi que l’enveloppe de la déflection, sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les performances du système, mesurées à travers la poussée générée, est également correctement prédite par la modélisation. L’accord entre les expériences et le modèle est étendu à une étude trouvée dans la littérature. Une optimisation analytique a été conduite et étendue à l’application de la bio-robotique. / The physics of the swimming with a flexible caudal fin is studied experimentally by the means of an elastic plate immersed in a uniform water flow. The leading edge of the plate is forced into a harmonic motion, while its trailing edge responds passively to this actuation. A resonance response in amplitude is demonstrated, revealing a strong interaction between the natural frequencies of the plate and the forcing frequencies. Experimental results suggest a non-trivial role of the forcing amplitude, emphasizing the role of non linearities in this problem. To gain better insight into the origin of these non linearities, a weakly non linear model is developed. We model a quasi two-dimensional plate of zero thickness immersed in a potential flow and subject to a resistive drag-like force. The plate deflection is then decomposed into a forcing heaving mode and natural flexural modes. Predictions of the response in amplitude and frequency to a heave forcing system are then calculated. The frequencies of the resonances, as well as the shapes of the deflection, match the experimental results. The performance of the system measured through the generated thrust, is well predicted by the modelling. The experimental and modelling results presented here show (very) good agreement with the literature. Finally, an analytical optimization is undertaken and potential applications to bio-robotic are suggested.

Dans l’industrie nucléaire, la simulation de transitoires accidentels à l’échelle d’un réacteur devient une composante d’importance croissante de la démonstration de sûreté à destination des agences de surveillance nationales. Elle permet ainsi de limiter le recours à des expériences complexes et coûteuses tout en facilitant l’évaluation des stratégies de mitigation. Cependant, les modèles mis en jeu sont inévitablement volumineux et construits avec une finesse de modélisation rendant difficile la prise en compte de détails géométriques locaux pourtant susceptibles d’influencer significativement la solution globale. Dans ce travail de thèse, on propose ainsi des approches multi-modèles pour l’intégration de tels détails dans un modèle global sans modification du maillage initial (on parle aussi de zoom numérique). Des techniques sont proposées aussi bien pour les structures que pour les fluides, avec un souci de démontrer la précision et la stabilité de la solution multi-modèles couplée comparée à une solution de référence à une seule échelle. Ce travail intègre deux spécificités propres, à savoir son adéquation avec les contraintes de la dynamique rapide avec intégration temporelle explicite et l’objectif de traiter simultanément la superposition de modèles et l’interaction fluide-structure. / In nuclear industry, simulating accidental transient sequences at full reactor scale is becoming an increasingly important feature of the safety demonstration towards national agencies. It thus allows limiting the number of complex and costly experiments, while simplifying and accelerating the evaluation of mitigation strategies. However, the implemented numerical models are inevitably heavy to build and maintain, with a global modelling scale making it difficult to account for local geometric details yet able to significantly influence the physical solution. To provide an answer to these problems, this PhD work is dedicated to multi-model approaches designed to integrate such details into bigger models with no modification at the global level (techniques often designated as numerical zoom techniques). Some methods are proposed for both structures and fluids, with special care given to the accuracy and stability of the coupled multi-scale solution compared to a single-scale reference solution. This work handles two very specific topics, namely its compatibility with numerical features imposed by fast transient dynamics with explicit time integration, and the general objective of simultaneously dealing with superimposed models and fluid-structure interaction.

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées. / This thesis is concerned with the modeling of fluid-structure interactions (FSI) and the corresponding specific numerical methods. The thesis is divided into two principal parts. The first part concerns the study of fluid-structure interactions using the fictitious domain method. In this contribution, the fluid is incompressible and laminar and the structure is considered rigid, whether stationary or moving. The tools we have developed include the implementation of a reliable resolution algorithm that incorporates both domains (fluid and solid) in a common mixed formulation. The algorithm is based on adaptive local mesh refinement techniques used to distinguish the elements in the fluid from those of the solid either in 2D or 3D. The second part is the study of the mechanical interactions between a flexible structure and an incompressible fluid. In this context, we propose and analyze partitioned numerical methods for simulating fluid-structure interaction phenomena (FSI). We adopt an "arbitrary Lagrangian-Eulerian" (ALE) formulation for this purpose. The fluid resolution is performed iteratively by means of a projection scheme and the structure is modeled by hyperelastic models in large deformations. We have introduced new mesh update methods to achieve large deformation of the structure. Finally, a more complex strategy for FSI problem is proposed. The turbulence and two-phase flows modelling are introduced and coupled to the resolution of the Navier-Stokes equations for studying FSI problems. The numerical results presented attest the validity and effiency of the proposed numerical methods developed.

Cette thèse concerne l’étude des ailes oscillantes flexibles et des méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première contribution concerne le développement d’un algorithme de couplage fluide-structure qui prend en charge les interactions entre un solide élastique en grands déplacements et un fluide incompressible. L’algorithme est basé sur une approche partitionnée et permet d’utiliser des codes numériques de mécanique des fluides et de mécanique des solides existants. L’utilisation d’un terme de compressibilité artificiel dans l’équation de continuité du fluide combinée à des choix algorithmiques judicieux permet d’utiliser cette méthode de couplage efficacement avec un code de mécanique des fluides utilisant une méthode de projection de type SIMPLE ou PISO. La seconde contribution est l’étude de l’effet de flexibilité des ailes sur le vol à ailes battantes. Deux principaux régimes de vol sont mis en évidence concernant la déformation de l’aile : déformation causée par la pression et déformation causée par l’inertie. Les effets de ces régimes sur la topologie de l’écoulement et sur les performance de l’aile en propulsion sont discutés. Il est montré que les cas avec des déformations causées par la pression présentent généralement des efficacités plus élevées avec une flexibilité modérée. Il en est de même pour la force de poussée lorsque l’amplitude de tangage est faible. D’autre part, lorsque les déformations sont causées par l’inertie, les performances de l’aile sont généralement réduites. Certains cas montrent une augmentation marginale des performances lorsque le synchronisme des déformations est optimal, mais ces cas représentent davantage une exception que la norme. Il est également démontré que la flexibilité peut être utilisée comme mécanisme de tangage passif tout en conservant des performances intéressantes. Enfin, un modèle d’aile oscillante flexible non contraint est présenté. Il est démontré que le mouvement de déviation observé dans la nature est une conséquence d’un phénomène aérodynamique de mise en drapeau. / This thesis concerns the study of flexible flapping wings and the related numerical methods. It thus contains two distinct themes. The first contribution is the implementation of an efficient fluid-structure interaction algorithm that handles the interaction of an elastic solid undergoing large displacement with an incompressible fluid. The algorithm is based on the partitioned approach and allows state-of-the-art fluid and structural solvers to be used. Stabilization with artificial compressibility in the fluid continuity equation along with judicious algorithmic choices make the method suitable to be used with SIMPLE or PISO projection fluid solvers. The second contribution is the study of the effects of wing flexibility in flapping flight. The different regimes, namely inertia-driven and pressure-driven wing deformations are presented along with their effects on the topology of the flow and, eventually, on the performance of the flapping wing in propulsion regime. It is found that pressure-driven deformations can increase the thrust efficiency if a suitable amount of flexibility is used. Thrust increases are also observed when small pitching amplitude cases are considered. On the other hand, inertia-driven deformations generally deteriorate aerodynamic performances of flapping wings unless meticulous timing is respected, making them less practical. It is also shown that wing flexibility can act as a passive pitching mechanism while keeping decent thrust and efficiency. Lastly, a freely-moving flexible flapping wing model is presented. It is shown that the deviation motion found in natural flyers is a consequence of a feathering mechanism.

Le domaine de l'interaction fluide-structure regroupe l'étude de tous les phénomènes présentant le couplage du mouvement d'une structure avec celui d'un fluide. La gamme des phénomènes étudiés est très étendue, allant de l'étude de cylindres vibrants dans des écoulements comme c'est le cas dans l'industrie nucléaire, à des structures vibrantes dans des écoulements turbulents, en passant par des phénomènes de surface libre dans des réservoirs. Cependant, la complexité des phénomènes étudiés se répercute par des coûts de calculs prohibitifs, ce qui nous amène à rechercher des modèles réduits dont le temps de calcul serait plus réaliste. Dans cette thèse, on va présenter les différents modèles d'interaction fluide-structure et on va mettre en avant le modèle adopté dans notre étude. La réduction du modèle ainsi que l'optimisation des structures vont être introduites dans un contexte de couplage. En introduisant les incertitudes, l'étude fiabiliste de même qu'une approche d'optimisation basée fiabilité vont être proposées. Les différentes méthodologies adoptées vont être validées numériquement et comparées expérimentalement / The domain of the fluid-structure interaction includes the study of all phenomena presenting the coupling of the motion of a structure with the one of a fluid. The range of the phenomena being studied is very extensive, going from the study of vibrating cylinders in the flow as is the case in the nuclear industry, to vibrating structures in turbulent flows, through the free surface phenomena in reservoirs. However, the complexity of the phenomena studied is reflected by the cost of the prohibitive calculations, which leads us to look for models with the computation time would be more realistic. In this thesis, we will present different models of fluid-structure interaction and we will put forward the model adopted in our study. Reducing the model as well as the optimization of the structures will be introduced into a coupling setting. By introducing uncertainties, the reliability study as well as an optimization based reliability approach will be proposed. The different methodologies adopted will be validated numerically and experimentally compared

Les canopées sont des assemblées compactes de plantes dont l'étude concerne de nombreuses problématiques environnementales. Des applications technologiques sont également envisageables. Les précédents travaux se sont principalement focalisés sur les écoulements au-dessus des canopées, considérées comme des rugosités de fond. La présence d'un point d'inflexion dans le profil de vitesses dans le fluide autorise le développement d'instabilités de type couche de mélange à l'interface. De plus, la prise en compte de la flexibilité des plantes complique le problème, car leur forme est modifiée par le courant pour réduire la traînée exercée sur elles --c'est le phénomène de reconfiguration-- mais elles ont également une dynamique propre qui peut éventuellement influencer l'écoulement. La démarche envisagée dans cette thèse est essentiellement expérimentale. Elle cherche à comprendre la réaction des tiges à différents types d'écoulements, afin d'étudier les effets collectifs inhérents à la canopée, et d'identifier les mécanismes communs qui en sont à l'origine. On utilise pour cela des tiges modèles très simples dans un canal étroit, ce qui assure une configuration quasi 2D et facilite les observations. Dans un premier temps, on étudie la réaction statique de la canopée à un écoulement établi. L'effet de la densité est très clair tant que les plantes sont assez proches, sinon elles se comportent comme si elles étaient seules. Ensuite, la canopée est soumise à un écoulement oscillant (houle), et, de la même façon, on étudie la différence de réaction entre une tige seule et une tige incluse dans une canopée. La troisième partie s'intéresse à la dynamique de la canopée soumise à un écoulement unidirectionnel, permettant le développement d'instabilités au sommet de la canopée. Le régime de grandes ondulations cohérentes de la canopée, apparenté au ‘monami' de la littérature, est caractérisé / Vegetation in rivers is often considered as a source of water resistance which slows down the water conveyance. It is also one of the main component for river equilibrium, insofar as it prevents body erosion by providing bed stabilization, it plays a vital role during floods. It is crucial for sediment transport, water quality and also shelter to provide the necessary habitat for the biodiversity of aquatic species. It is then useful to understand the mechanical behaviour of aquatic canopies resulting from the interaction between vegetation and a water flow. From land-use planning to river management, such a knowledge would also shed light upon plant biomechanics and improve bio-inspired engineering.Traditionally, studies on aquatic vegetation explored its influence on flow properties, like velocity distribution, wake dynamics, turbulence, water conveyance and sediment transport by considering it simply as a rigid or flexible roughness element.This thesis is an experimental work which aims at understanding how a model canopy reacts to a water flow depending on the canopy geometry and the flow conditions. Three different series of experiments are performed.First, the effect of density on the canopy reconfiguration and the corresponding drag reduction is investigated. The drag acting on the canopy, and also on individual sheets, is systematically measured. A strong sheltering effect exists as long as the spacing is smaller than a critical value depending on the sheet width.Then, the canopy is submitted to a wave flow to test its sensibility to a determined frequency. Each stem is found to act like a forced oscillator with a strong resonance at natural frequency (modified by canopy density).Finally, a parallel free flow allows mixing layer instabilities to develop above the canopy. Different behaviour are observed and characterized, especially the large coherent waving called 'monami'

Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de produire l'écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomotion. Cette thèse est placée dans ce contexte interdisciplinaire et utilise des simulations numériques pour étudier ces problèmes d'interaction fluides-structure, et les applique au vol des insectes et à la nage des poissons. Basée sur les travaux existants sur les obstacles mobiles rigides, une méthode numérique a été développée, permettant également la simulation des obstacles déformables et fournissant une polyvalence et précision accrues dans le cas des obstacles rigides. Nous appliquons cette méthode d'abord aux insectes avec des ailes rigides, où le corps et d'autres détails, tels que les pattes et les antennes, peuvent être inclus. Après la présentation de tests de validation détaillée, nous procédons à l'étude d'un modèle de bourdon dans un écoulement turbulent pleinement développé. Nos simulations montrent que les perturbations turbulentes affectent les insectes volants d'une manière différente de celle des avions aux ailes fixées et conçues par l'humain. Dans le cas de ces derniers, des perturbations en amont peuvent déclencher des transitions dans la couche limite, tandis que les premiers ne présentent pas de changements systématiques dans les forces aérodynamiques. Nous concluons que les insectes se trouvent plutôt confrontés à des problèmes de contrôle dans un environnement turbulent qu'à une détérioration de la production de force. Lors de l‘étape suivante, nous concevons un modèle solide, basé sur une équation de barre monodimensionnelle, et nous passons à la simulation des systèmes couplés fluide–structure. / Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce the fluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complex geometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisciplinary context and uses numerical simulations to study these fluid--structure interaction problems with applications in insect flight and swimming fish. Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourier discretization, a numerical method has been developed, which allows the simulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced versatility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on the volume penalization method and the fluid discretization is still based on a Fourier discretization. We first apply this method to insects with rigid wings, where the body and other details, such as the legs and antennae, can be included. After presenting detailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fully developed turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbations affect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing aircrafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in the boundary layer, the former do not present systematical changes in aerodynamic forces. We conclude that insects rather face control problems in a turbulent environment than a deterioration in force production. In the next step, we design a solid model, based on a one--dimensional beam equation, and simulate coupled fluid--solid systems.

Le développement des systèmes houlomoteurs ainsi que la gestion du littoral reposent sur une bonne compréhension des mécanismes liés aux interactions houle-structure. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude d'un champ de structures flexibles soumises à des ondes de surface, en vue de développer un système qui puisse à la fois atténuer les vagues et absorber l'énergie qui leur est associée de manière efficace. Les résultats présentés se basent autour d'expériences réalisées dans des installations de petite échelle, dans lesquelles la disposition spatiale des objets flexibles est le principal paramètre étudié. Dans un premier temps, nous caractérisons notre champ modèle afin d'évaluer l'influence de divers paramètres (configuration, flexibilité, fréquences des vagues) sur la distribution de l'énergie dans le système. Sur la base de ces résultats, nous développons ensuite un modèle d'interférences permettant de décrire les observations globales du système à partir de paramètres locaux connus, associés à une portion unitaire du champ. Ce modèle nous sert ensuite d'outil pour l'exploration d'une multitude de configurations spatiales, afin de déterminer le choix optimal vis-à-vis de l'atténuation et de l'absorption des vagues incidentes. Enfin, une campagne de mesures supplémentaire est utilisée afin d'expliquer les résultats obtenus avec le modèle et d'identifier les principes sous-jacents à cette optimisation / Understanding the mechanisms involved in wave-structure interactions is of high interest for the development of efficient wave energy harvesters as well as for coastal management. In this thesis, we study the interactions of surface waves with a model array of slender flexible structures, in view of developing an efficient system for both attenuating and harvesting wave energy. The presented results are based around experimental investigations, by means of small scale facilities, in which the spatial arrangement of the flexible objects is the key parameter of study. The model array is first characterised by evaluating the role played by various parameters (configuration, flexibility, wave frequency) on the energy distribution in our system. Following these first observations, an interference model is then developed in order to describe the observed global effects of the array on both the wave field and the blade dynamics, based on known local parameters of a unit item of the array. This model then serves as a tool for exploring many possible array configurations, in order to determine the optimal choice regarding both the attenuation and the absorption of the imposed waves. A final experimental study is presented, in which the key results from the interference model are evaluated and the underlying principles of array optimisation are identified

La simulation numérique de l'interaction fluide-structure par la méthode des éléments finis a été étudiée dans le cadre des équations de Navier-Stokes pour un fluide visqueux newtonien incompressible en interaction avec un solide élastique.<br />La formulation Euler-Lagrange Arbitraire (ALE) a été utilisée, en considérant un maillage dynamique, où le solide est décrit par une formulation Lagrangienne et le fluide par une formulation Eulérienne. Le modèle fluide est validé en considérant des cas tests académiques et concernent les cas : de la marche, de la cavité, de l'écoulement autour d'un cylindre, etc... Le modèle solide est validé en considérant le cas d'une poutre encastrée-libre et encastrée-encastrée, le cas d'un cylindre soumis à son poids propre et le cas d'une arche elliptique.<br />Un algorithme de couplage est alors mis au point pour la mise en oeuvre de cette interaction fluide-structure. Cet algorithme, basé sur un schéma explicite, permet le transfert de champs de façon interactive. L'efficacité de la méthode ALE et du couplage fluide-structure a été évaluée en considérant plusieurs cas tests: solide immergé dans un canal, où s'écoule un fluide en écoulement transitoire ou stationnaire, écoulement d'un fluide dans une canalisation à parois élastiques, etc...<br />Les résultats montrent que ce couplage explicite-interactif permet d'utiliser un maillage et un schéma différent pour le fluide et la structure, et jouit de l'avantage de ne pas utiliser de grosses matrices de stockage des données.

Le but de cette thèse est la construction et l'implémentation d'une méthode de Lagrange-Galerkin d'ordre élevé dans un code de simulation d'interactions fluide/structure. Cette méthode repose sur une formulation par éléments finis mixtes et une méthode des caractéristiques d'ordre 2 en maillage fixe ou mobile. La stabilité de ce schéma a été étudiée dans des cas simples. Des analyses aéroélastiques de structures généralement rencontrées dans le Génie Civil ont été effectuées à travers des tests numériques sur des coupes de ponts en mouvements forcés et libres. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux obtenus avec la méthode de Lagrange-Galerkin d'ordre 1 ainsi qu'à des études réalisées en soufflerie expérimentale. Enfin, l'utilisation des méthodes de Lagrange-Galerkin dans des problèmes de contrôle optimal a été étudiée. Un schéma discret linéarisé basé sur la méthode des caractéristiques a été construit et quelques tests simples pour des problèmes de contrôle et d'identification en maillages fixes et mobiles ont été effectués.