Development of Immersed Boundary Methods for the study of fluid-structure coupled problems
Développement de méthodes des frontières immergées pour l’étude de problèmes couplés fluide-structure
Résumé
Cavitation erosion is a major issue for hydraulic and marine applications. This phenomenon results from the accumulation of cavitation pits on the surface of the material, formed by the collapse of bubbles near the wall. To provide a better understanding of the phenomenon and the challenges related to its numerical resolution, a strong fluid-structure coupling strategy, based on a partitioned approach, has been developed. It is based on the in-house code SCB (Finite Volume Method), the open-source solver FEniCS (Finite Element Method), and the coupling library preCICE. The originality of our approach lies in the use of an Immersed Boundary Method (IBM) to model the deformable interface in order to reduce computational cost compared to a classical body-fitted approach. After a comparative study of two IBMs, the penalization method was chosen for its accuracy and efficiency. It was then extended to a diffuse interface two-phase flow model to study the formation and evolution of a cavitating flow, followed by the collapse of a bubble near a rigid wall, revealing a possible acceleration of cavitation erosion when the wall is already damaged. Finally, the SCB-FEniCS-preCICE strategy was applied to the study of cavitation pit formation. The original version of the penalization method generates an error of about 30 % regarding material damage. A variant of the method was developed to overcome this issue by controlling the acoustic impedance of the penalized region. Two parametric studies showed that the deepest pits form after the collapse of a bubble initially very close to a material with a low yield strength. Weak coupling overestimates impact pressure (20 %) and material damage (50 %). The effect of coupling is locally amplified when plasticity is more important.
L’érosion de cavitation représente un problème majeur pour les applications hydrauliques et marines. Ce phénomène est la conséquence de la superposition de pits de cavitation en surface du matériau, formés par l’implosion (ou collapse) de bulles au voisinage de la paroi. Afin d’apporter une meilleure compréhension du phénomène et des problématiques liées à sa résolution numérique, une stratégie de couplage fort entre le fluide et la structure, basée sur une approche partitionnée, a été développée. Elle est basée sur le code interne SCB (volumes finis), le solveur libre FEniCS (éléments finis) et sur la librairie de couplage preCICE. L’originalité de notre approche réside dans l’utilisation d’une méthode des frontières immergées (IBM) pour modéliser l’interface déformable, dans le but de réduire le coût de calcul par rapport à une approche classique de type maillage conforme. À l’issue d’une étude comparative de deux IBM, la méthode de pénalisation a été retenue pour sa précision et son efficacité. Elle a ensuite été étendue à un modèle diphasique à interface diffuse dans le but d’étudier la formation et l’évolution d’un écoulement cavitant puis le collapse d’une bulle au voisinage d’une paroi rigide, révélant une possible accélération de l’érosion de cavitation lorsque la paroi est déjà endommagée. Notre stratégie SCB-FEniCS-preCICE a finalement été appliquée à l’étude de la formation d’un pit de cavitation. La version originale de la méthode de pénalisation engendre une erreur de l’ordre de 30 % concernant l’endommagement du matériau. Une variante de la méthode a été imaginée afin de surmonter ce problème en contrôlant l’impédance acoustique du milieu pénalisé. Deux études paramétriques croisées ont montré que les pits les plus profonds se forment suite au collapse d’une bulle initialement très proche d’un matériau de faible limite d’élasticité. Le couplage faible surestime l’impact (20 %) et l’endommagement (50 %). L’effet du couplage est accentué localement lorsque la plasticité est plus importante.
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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