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Interactions fluide-structure

Les études menées sur la problématique des interactions fluide-structure se concentrent principalement sur les vibrations induites par les écoulements dans des configurations associées à des applications industrielles variées. Les objectifs applicatifs visés sont l’atténuation des vibrations pour diminuer le bruit et les efforts sur la structure (fatigue), ou au contraire l’amplification des vibrations pour capturer une partie de l’énergie mécanique des écoulements (énergies propres, énergie hors-réseau).

Les vibrations induites par vortex (VIV) sont en général étudiées dans le cas laminaire, que ce soit expérimentalement ou numériquement, et l’un des axes de recherche originaux de l’équipe concerne l’étude des VIV en régime turbulent, en cherchant à se rapprocher des conditions des systèmes réels, dans la nature ou les applications industrielles. Plus particulièrement, les recherches ont concerné l’impact de la turbulence sur le phénomène de lock-in, les connections entre forces et réponses dans les directions longitudinale et transverse, pour les oscillateurs à un ou deux degrés de liberté, et la structure tridimensionnelle du sillage et l’impact du mouvement du corps (Gsell et al., J. Fluid Mech. 2017). Des études ont été menées sur l’instabilité vibratoire sous turbulence avec flottement dans un faisceau de tubes et de cylindres en tandem (Elhimer et al., J. Fluid Struct. 2015). L’objectif est d’analyser les régimes critiques d’apparition d’amortissements négatifs sous l’effet des vortex cohérents. Il a été montré qu’une vibration et une légère déformation pariétale au voisinage des points de décollement, actionnée par des piézo-actuateurs, atténuaient les effets de l’instabilité vibratoire. Une mise au point expérimentale de l’actionnement principal du mouvement de l’oscillation des cylindres permet de modifier virtuellement les paramètres structuraux de raideur et d’amortissement conduisant à une stabilisation au-delà des nombres critiques d’instabilité vibratoire (collaborations EDF, CEA, AREVA).

Un autre axe de recherche s’est intéressé au comportement du système fluide-structure lorsqu’on introduit une asymétrie. En effet, les études menées montrent que ces asymétries peuvent conduire à une forte augmentation des amplitudes de vibration. Ces travaux ont été effectués notamment dans le cadre d’un projet Emergence (FIVES) et de collaborations diverses (MIT, université de Monash, ISAE). Parmi les asymétries étudiées, le cisaillement de l’écoulement incident a été pris en compte, choix motivé d’une part par le fait que dans les systèmes réels les écoulements incidents sont rarement uniformes, et d’autre part en remarquant qu’on peut retrouver du cisaillement dans les interactions entre sillages et corps. Dans ce cas, le phénomène de lock-in gouvernant les VIV persiste mais de nouveaux régimes apparaissent, certains caractérisés par de très grandes amplitudes de vibration, des comportements apériodiques et un régime chaotique à grand cisaillement. Une autre source d’asymétrie analysée est la rotation forcée du corps autour de son axe (Lo Jacono et al., J. Fluid Mech. 2018). Il s’agit d’une brisure de symétrie d’intensité contrôlée, avec de possibles applications en ingénierie offshore ou liées à l’extraction d’énergie des écoulements. Différents comportements ont été observés selon l’angle du plan de vibration. Cette configuration représente un problème modèle pour étudier les transitions entre régimes (entre VIV et galop par exemple, Griffith et al., J. Fluid Struct. 2016) et les possibles interactions entre ces régimes. L’effet de l’angle d’incidence de l’écoulement sur les VIV d’un corps flexible élancé a aussi fait l’objet d’un travail numérique en collaboration avec le MIT et une activité expérimentale en soufflerie a débuté à l’IMFT sur ce thème en 2017. Enfin, l’effet d’un défaut localisé sur la dynamique vibratoire d’une corde flexible en écoulement, pour une application aux suspentes de parapente, a été étudié par une double approche, expérimentale en soufflerie et par simulations numériques (modèles phénoménologiques et simulation avec le code Nektar). Ce projet a été conduit dans le cadre d’un financement Toulouse Tech InterLabs (TTIL “SkyLine” 2016-2018), en collaboration avec l’ISAE, et a donné lieu à plusieurs stages et projets de master et d’école d’ingénieur.

La dynamique des drapeaux et des membranes flexibles a fait l’objet de plusieurs études pendant la période. D’une part le flottement et les effets collectifs ont été abordés dans le cadre de l’étude de la synchronisation de deux drapeaux. Ces travaux s’inscrivent dans l’ANR JCJC FLUTTENER portée par Sébastien Michelin (LadHyX) sur la récupération d’énergie à l’aide de drapeaux piézo-électriques. D’autre part, plusieurs études ont pour objectif de considérer différentes influences extérieures sur la stabilité d’un drapeau, telles que les effets de confinement ou la proximité d’une surface libre. Un modèle simplifié a mis en évidence la possibilité d’instabilités non décrites à ce jour dans ce type de configuration. Ces instabilités résultent d’une interaction entre les ondes de surface et les ondes se propageant dans le solide qui peuvent apparaître dans certaines conditions précises. Ce sujet s’applique à la récupération d’énergie d’un courant et/ou des vagues, et la prédiction des seuils d’instabilité (les vitesses d’écoulement à partir desquelles la structure entre dans un mouvement auto-entretenu) est cruciale dans ce contexte. La méthodologie combine analyses de stabilité linéaire (couplant fluide et solide déformable sous FreeFEM++), modèles réduits et méthode vortex. Une thèse a démarré sur ce sujet en 2018. Un projet connexe a été initié en collaboration avec des collègues d’autres groupes de recherche du laboratoire. L’objectif est de tester un dispositif visant à dissiper de façon passive les ondes de ballottement pouvant exister dans un réservoir partiellement rempli. Le dispositif anti-ballottement retenu correspond à une membrane flexible et sera testé en canal à houle dans le cadre d’un projet avec Air Liquide.