IIHNE-Interfaces & Interactions en Hydrodynamique Numérique & Expérimentale

L’équipe IIHNE, Interfaces & Interactions en Hydrodynamique Numérique & Expérimentale, étudie les interactions hydrodynamiques complexes entre des écoulements à surface libre et des corps.

La complexité peut intervenir à différents niveaux :
  • dans les non-linéarités de l’interaction surface libre/corps,
  • dans les déformations de la surface libre,
  • dans le caractère multi-physique (fluide-structure déformable en particulier),
  • dans les mouvements des corps et leur sillage.

Les activités de l’équipe portent ainsi sur la physique des écoulements à surface libre (ondes de gravité, interactions houle-structure, impact hydrodynamique, réponse hydroélastique), le comportement des structures marines flottantes (à l’échelle locale, via la résolution des équations de Navier-Stokes), le développement de méthodes et schémas numériques innovants pour l’hydrodynamique, le développement de modélisations et méthodes expérimentales originales en hydrodynamique marine et, par ailleurs, les écoulements cardio-vasculaires.

Du point de vue de sa structuration, l’équipe s’articule autour de deux problématiques physiques principales :
  • les interactions houle/structure (corps flottants rigides),
  • les profils portants et les interactions fluide/structure (corps déformables).

La recherche menée repose sur le développement de méthodes numériques et expérimentales avancées avec une organisation matricielle favorisant les échanges.
 
Interactions Houle/Structures - corps flottants rigides Profils portants - Interactions Fluide/Structures - corps déformables


Méthodes expérimentales



Plateforme expérimentale



Méthodes numériques



Dans sa stratégie, l’équipe s’efforce :
  • De comparer presque systématiquement des résultats numériques aux résultats expérimentaux en bassins,
  • De développer de méthodologies pérennes de couplages afin de maximiser les utilisations potentielles.

Les recherches de l’équipe peuvent s’appliquer à des problèmes posés en ingénierie marine, tels que la performance ou la sécurité des structures marines, le comportement dynamique des structures et des systèmes marins sous l’effet de forces externes (houles, vents, courants…) ou internes (safran, appendices mobiles…). Les domaines d’applications de l’équipe IIHNE sont ainsi principalement le secteur naval et celui des Énergies Marines Renouvelables, mais également d’autres secteurs tels que l’aéronautique, l’automobile ou la santé.

Axes de recherche

Interactions Houle/Structures - corps flottants rigides

Cet axe de recherche entend répondre aux enjeux sociétaux associés aux activités dans l’espace marin et notamment :

  • la sécurité des biens et des personnes,
  • l’optimisation des performances énergétiques des structures marines (navires, EMR).


Il mobilise des méthodes expérimentales et numériques pour aborder des thématiques scientifiques variées : physique non linéaire des ondes de gravité, interaction entre l’environnement et une structure fixe ou flottante, etc. Un effort particulier est mis en œuvre vers la mise en place de jumeaux numériques de façon récurrente lors d’expériences réalisées.

Dans les recherches menées autour de la propagation de houle, les objectifs fixés par l’équipe sont d’améliorer la compréhension de la physique du phénomène, de caractériser les événements extrêmes dans un état de mer donné et d’étudier les effets du déferlement et de la directionnalité dans les deux points précédents.

Un autre volet de cet axe de recherche est consacré aux efforts externes sur les systèmes flottants, en particulier pour l’éolien flottant. Cela repose notamment sur la modélisation CFD avec prise en compte des effets de sillages lointains, des ancrages et des chargements aérodynamiques et sur les essais en bassin correspondants.

Enfin, les chargements hydrodynamiques de corps flottants dans la houle sont également étudiés au sein de cet axe. On s’intéresse par exemple aux problématiques propres à l’éolien flottant (réponse basse fréquence, heave plates, etc.) en collaboration avec l’équipe SEM-REV+. L’analyse des performances des navires dans la houle qui fait face à nombre de verrous scientifiques complète les recherches menées dans cette thématique : caractère stochastique qui demande des simulations longues, directionnalité de la houle et présence d’appendices qui imposent des maillages lourds en coût de calcul et compliqués à générer.

Profils portants - Interactions Fluide/Structures - corps déformables

Cet axe de recherche a pour objectif principal d’obtenir une meilleure connaissance des écoulements autour de structures déformables, interagissant ou non avec la surface libre. Au niveau des corps portants, elle répond à un besoin sociétal de développer des structures portantes flexibles, le plus souvent en composites, permettant d’optimiser leurs performances par des stratégies de contrôle passives des déformations/vibrations. Les applications visées sont les éoliennes offshore et les hélices marines :

  • Écoulements de couche limite transitionnels autour de pales fixes ou en rotation (hydrofoils, éoliennes offshore, hélices marines) par des simulations DNS.
  • Développement d’une méthode modale pour étudier les vibrations de structures portantes sous écoulement de couche limite instable.
  • Étude expérimentale de la ventilation autour d’hélices marines.
  • Étude d’appendices innovants (safrans, barres de plongée de sous-marin)...

Par ailleurs, dans cet axe les méthodes numériques innovantes de l’équipe sont appliquées à des problèmes d’interactions fluide-structures théoriques et appliqués. On peut en particulier mentionner le problème complexe de l’hydroplanage sur laquelle l’équipe travaille depuis plus de 10 ans et, plus récemment, les écoulements hémodynamiques cardio-vasculaires.

Méthodes Numériques

Cet axe s’intéresse à 2 thématiques principales :

  • Les méthodes relatives à la modélisation des interactions entre houle et structures rigides. L’équipe développe pour ce faire des méthodes potentielles complètement non-linéaires permettant de reproduire fidèlement la génération et la propagation de houle dans des portions d’océan sur plusieurs heures. Elle développe ensuite des techniques de couplage (fonctionnel ou spatial) entre ces méthodes de reproduction de houle et les solveurs CFD résolvant l’interaction locale avec les structures marines.
  • Les méthodes de couplage entre solveurs CFD et solveurs structurels, permettant de résoudre les interactions fluides/structures déformables dans différents contextes (profils portants, pneumatiques, écoulements cardio-vasculaires…).


 


Parmi les méthodes développées, l’équipe a une expertise reconnue internationalement sur le développement de méthodes innovantes pour l’hydrodynamique :

  • La méthode particulaire Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH).
  • Une méthode de volumes finis à maillage automatique basée sur un maillage cartésien, des frontières immergées, des volumes finis d’ordre variable et du raffinement adaptatif de maillage (WCCH).
  • La méthode Lattice Boltzmann (LBM).
Méthodes Expérimentales

Les problématiques physiques et les applications développées dans cet axe sont :

  • La tenue à la mer des systèmes ancrés : positionnement dynamique, éolienne offshore flottante ;
  • La tenue à la mer avec vitesse d’avance : navire sur houle, traction vélique ;
  • La propulsion par hélice marine : essais en eau libre, profils portants flexibles.


Des techniques innovantes permettant la reproduction à échelle réduite d’efforts externes intégrant notamment un couplage entre simulation numérique et expérience sont développées.

Figure : Couplage entre modèle physique en bassin d’éolienne flottante (efforts hydrodynamiques, d’ancrage) et modèle numérique de la turbine (efforts aérodynamiques), à gauche : schéma de principe, à droite : mise en oeuvre en bassin dans le cadre du projet SoftWind financé par WEAMEC.


Concernant la propulsion par hélice, l’objectif est d’une part d’améliorer le banc de mesure d’hélices marines en canal de circulation et de consolider la chaîne de mesure permettant de mesurer les performances, et de valider des techniques de visualisation d’écoulement et de mesure de vitesses (LDV, PIV).

Figure: Montage expérimental pour la caractérisation des hélices dans le sillage d’un sous-marin (à gauche : installation dans le canal de recirculation, à droite : image de ventilation)


D’autre part, cet axe développe un nouveau banc de mesure générique pour l’étude des performances de profils portants flexibles en bassin de traction.

Plateforme expérimentale de l'équipe IIHNE : Bassins de Génie Océanique

L’équipe de la plateforme Bassins d’essais a pour mission de concevoir, construire et mettre en œuvre les dispositifs expérimentaux testés dans les bassins. De plus, elle maintient, opère et fait évoluer les moyens d’essais dont elle a la charge.
 
Bassin de traction

Le bassin mesure 140 m de long, 5 m de large et 3 m de profondeur, muni d’un chariot de traction permettant une vitesse maximum de 8 m/s. Il est équipé d’un batteur à houle permettant de générer des houles unidirectionnelles régulières.
 

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Bassin de houle et de génie océanique

D’une longueur de 50 m sur 30 m de large et 5 m de profondeur. Le bassin est équipé d’un batteur de houle segmenté composé de 48 volets indépendants permettant de générer des houles directionnelles. Un système de génération de vent produisant un écoulement d’air de section de 3m par 3m avec des vitesses jusqu’à 15m/s peut être placé au dessus du bassin.

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Bassin de faible profondeur
Ce bassin de 20m x 9.5m x 1m est équipé de deux passerelles mobiles et motorisées qui le surplombent. Elles permettent d’installer du matériel ou des instruments. Il est également doté d’un batteur à houle unidirectionnel de type volet. Sa faible profondeur permet d’étudier des configurations marines avec effet de fond.
 

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Canal de circulation

Ce canal dispose d’une veine d’essai de 2 m de large, d’environ 10 m de long. La profondeur maximale d’utilisation du canal est d’environ 1.10 m.  Il est mobilisé pour des études de systèmes de propulsion marine, de performance d’hydroliennes, d’écoulements autour de profils portants (appendices, foils, ailerons, …).
 

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Publié le 22 mars 2017 Mis à jour le 1 mai 2021