ECOLE
CENTRALE DE
NANTES
&
CENTRE
NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
TEC;LCE W1IVERSr1T Laboratorium voor Scheepshydromochanca Archlef Mekelweg 2, 2620 CD D&ft TeL 015 786873- Fac 015-781823
Rapport d'activité
199 1-93
Laboratoire de Mécanique des Fluides
URA 1217
Responsable
P.
SULMONT
Responsables des Divisions
DHN:
P SULMONT
DMN:
J.
PIQUET
DMEE: JM ROSANT
E.C.N. i rue de la Noe 44072 NANTES Cedex
Le personnel du Laboratoire de Mécanique des Fluides de l'Ecole Centrale de Nantes
U.R.A 1217 du C.N.R.S
C. Moulinec, R. Senhaji, F. Auger, P. Boirieau, C. Couchman, B. Pettinoni, J. Ericau, C.
Jacquot, S. Mas, Q. Cheikhbrahim, E. Guilmincau, A. Garapon,G. Capcicvillc, P. Raoul
P. Boisseleau, G. Jolivet, G. Le Rouzic, J.L. Toularastel, A. Le Roch, A. Cocurdeuil, J.F Hetet, T. Jaszay, Y. Lorin,
M. Visonneau, J.M. Rosant, A. Zoubiri
P.L. Bourget, S. Badri kusuma, J.P. Cordonnier, F. Raymond, P. Sulmont, J. Piquet, P. Mestayer, J.F. Smi, E. Federovich,
L. Doubliez, J. Prono, C. Rey
T. Auner, G. Deihommeau, A. Clément, L. Gentaz, B. Alessandrini, F. Larrarte, M. Pavagcau, J.M. Kobus, M. Violleau,
TABLE DES MATIERES
i - PRESENTATION GENERALE DE L'UNITE
1.1. RECHERCHE i
1.2. ENSEIGNEMENT 2
1.3. AIDE AUX ENTREPRISES 3
1.4. FICHE SIGNALETIQUE
32
- STRUCTURE DE L'UNITE
2.1. LISTE DU PERSONNEL ET ORGANIGRAMME 4 2.2. ORGANIGRAMME THEMATIQUE 7
2.3. BUDGET DU LABORATOIRE
82.4. EQUIPEMENTS 13
3 - BILAN DES TRAVAUX ET PROGRAMME
SCIENTIFIQUE DES DIVISIONS
3.1. DIVISION HYDRODYNAMIQUE NAVALE 17
3.2. DIVISION MODELISATION NÌJMERIQUE 27 3.3. DIVISION MECANIQUE ENERGETIQUE ET
ENVIRONNEMENT 33
4
- ACTIVITES DE FORMATION
4.1. THESES EN COURS 39
4.2. FICHES SUR LES FORMATIONS SUPPORTEES PAR
LE LABORATOIRE 41
5
- ORGANISATION DE MANIFESTATIONS
SCIENTIFIQUES
5.1.4e JOURNEES DE L'HYDRODYNAMIQUE 47
5.2. JOURNEES SUB-MESO 50
1- PRESENTATION GENERALE DE L'UNITE
L'Unité de Recherche n° 1217 est associée au CNRS depuis 1986. Elle correspond au
Laboratoire de Mécanique des Fluides de l'ECN qui en recouvre toutes les activités "fluide'.
L'Unité est structurée en trois divisions:
- La Division Hydrodynamique Navale DHN - La Division Modélisation Numérique DMN
- La DivisionMécanique Energétique et Environnement DMIEE.
Les activités du laboratoire ne sont pas limitées à des tâches d'enseignement et de
recherches, elles s'étendent à la mise en valeur des résultats scientifiques obtenus par une activité contractuelle soutenue auprès des entreprises.
La filiale de droit privé Sirehna créée en 1986, contribue de façon sensible à cette
valorisation avec des moyens mieux adaptés pour répondre avec efficacité aux demandes des
milieux industriels.
1.1 - RECHERCHE
Les recherches développées dans le laboratoire ont pour objectif la modélisation
expérimentale ou numérique d'écoulements liés très souvent à des applications technologiques ou industrielles, telles que les carènes de navire, les corps d'hélicoptère, les sites urbains, les conduites diphasiques.
La proximité des recherches à caractère fondamental et des opérations techniques a l'intérêt de permettre des échanges fructueux qui valorisent et inspirent les thèmes fondamentaux.
Les grands axes de recherche développés ou en cours de développement dans l'unité sont:
* Pour la DHN:
- Les écoulements à surface libre - L'interaction fluide-structure - La mécanique du comportement * Pour la DMN:
- La modélisation des écoulements de fluide réel
* Pour la DMEE:
- Les transferts turbulents et diphasiques - La dynamique de l'atmosphère habitée
1.2 - ENSEIGNEMENT
Outre l'enseignement de Mécanique des Fluides assuré en 1ère année, l'Unité sert de support
pédagogique à différentes formations orientées plus particulièrement vers l'hydrodynamique, la modélisation numérique des écoulements de fluides parfaits ou visqueux et l'énergétique:
En formation ingénieur:
- Option Hydrodynamique et Génie Océanique (2 et 3e années) subdivisée en 2
sous-options Hydrodynamique et Ingénierie Navale, et Modélisation Numérique.
- Option Energétique (2C et 3e années).
- Section Spéciale d'Hydrodynamique Navale Avancée (diplôme d'ingénieur spécialisé).
En formation 3 cycle
DEA "Dynamique des Fluides et des Transferts".
1.3 - AIDE AUX ENTREPRISES
L'Unité apporte une aide importante aux entreprises:
- Par la mise à disposition de logiciels performants permettant, par exemple, le calcul de
l'écoulement visqueux ou non sur des carènes de navire, du comportement à la mer d'un engin ou l'évolution d'une pollution atmosphèrique;
- par la réalisation d'essais sur des équipements scientifiques relativement lourds, bassin de traction, bassin de houle ou tour de convection.
1.4 - FICHE SIGNALETIQUE * Effectif: 20 Enseignants-Chercheurs 5 Chercheurs 6 Ingénieurs de recherche
20 Thésards
12 Techniciens (dont 2 à mi-temps)
4 Administratifs (dont i à mi-temps) * Production scientifique depuis 1990:
A Revues spécialisées avec Comité de lecture : 31 B Ouvrages : 18
C Colloques avec actes : 83 D Colloques sans actes : 32
E Thèses: 19 DEA : 61 F Licences : 5
G Rapports de fin de contrats : 40 H Rapports internes : 5
I Autres manifestations sans actes : 20
J Diffusion de la connaissance dans le milieu socio-économique : 2
Mots clés:
Hydrodynamique -
Offshore Houle Résistance de vagues Tenue à la mer
-Hydroélasticité - Câbles de remorquage - Structure aquacole - Mécanique des fluides
numérique Turbulence Couche limite alternée NavierStokes Mécanique des fluides
-Modélisation - Calcul numérique - Couche limite - Turbulence - Transferts de masse et de
chaleur - Convection libre, mixte et forcée - Interfaces fluide/fluide et solide/fluide
-Turbomachines
-Echangeurs
industriels
-Ecoulements
polyphasiques
2.1 - LISTE DU PERSONNEL ET ORGANIGRAMME
I ENSEIGNANTS - CHERCHEURS
Professeurs
Maîtres de Conférences P.L. BOURGET, Docteur-ingénieur
G. CAPDEVIILLE, Docteur Nantes
J.P. CORDONNIER, Docteur-ingénieur DEL REY, Docteur ès Sciences L. DOUBLIEZ, Docteur ès Sciences J.F. HETET, Docteur Nantes
C. JACQUOT, Docteur Nantes
T. JASZAY, Docteur Nantes J.M. KOBUS, Docteur-ingénieur
LE ROUZIC, Docteur-ingénieur F. PRIEM, Docteur 3e cycle
J.F. SINI, Docteur Aix-Marseille
Assistants A. BELVAL F. BOULBIN, ATER
B. DAOUD,ATER
INGENIEURS DE RECHERCHE CHERCHEURS2- STRUCTURE DE L'UNITE
J.P. FRAYRET
D. MARICHAL J. PIQUET Responsable de la DMN C. REYP. STJLMONT Responsable de lUnité et de la DHN
B. ALESSANDRINI
F. AUGER
A. CLEMENT, Docteur-ingénieur
C. COUCHMAN
G. DELHOMMEAU, Docteur ès Sciences
G.B. DENG, Docteur Nantes
Directeur de recherche P. MESTAYER, Docteur ès Sciences
Chargés de recherche P. QUEUTEY, Docteur Naines
J.M. ROSANT, Docteur ès Sciences, responsable de la DMEE
M. VIS ONNEAU, Docteur Nantes
I TECHMCIENS I i SECRETAIRES
T. AURIER
S. BADRIKUSUMA
BENSLAFAPh. BOINEAU
CHEIKHBRAHIMA. GARAPON
GENTAZ A. GUILMINEAU KAOUAF. LARRARTE
C. MAIS ONDLEUS. MAS
C. MOUÌJNEC
M. PAVAGEAU PENNERON F. RAYMONDV. ROCHERY
R. SENÌ-IAJI C. TALO ITh. A. ZOUBIRI J.L. AUDRAIN P. BOISSELEAUG. JOLIVET
Y. LORIN
C. PERROT
B. PEUINOYITI RENAUDINEAU P. RAOULE. SAMSON
THIERY J.L. TOULARASTEL M. VIOLLEAU A. COEURDEUIL J. ERIEAUA. LEROCII
N. REYNifiRE.C.N.
LABORATOIRE DE
MECANIQUE DES FLUIDES
URA 1217 du C.N.R.S.
Resp.: P. SULMONT
SECRETARIAT A. LE ROCH J. ERIEAU N. REYNIER
J
DIVISION HYDRODYNAMIQUE NAVALE
Resp.: P. SULMONT (Pr.) DIVISION MODELISATION NU ME flOU E Resp.: J. PIQUET (Pr.) DiViSION MECANIQUE-ENERGETIQUE et
ENVIRONNEMENT Resp.: JM. ROSANT CR
Pr. MC. MC. MC. MC. & ATER IR D. L GENTAZ Thés. C. BRAHIM Thès. Service technique: F. AUGER IR B. PETTINOTTI E cnrs JC.TOULARASTEL AI
M. VISONNEAU P. QUELJTEY GB. DENG C. CAPDE VILLE V. ROCHERY A GARAPON A.GUILMINEAU
CRi cnrs CR2 cnrs IR MC. Thés, mro Thés. BD1 Dret Thès. mro JP. FRAYRET C. REY P. MESTAYER L. DOUBLIEZ JF. SINI JF HEftT F. DEL REY JF. PRIEM
Pr. Pr. DR2 cnrs MC. D. MC. MC. MC. MC.
N. PENNERON Thès.mre T.AURIER
MoN.
C. MOULINEC Thès. bdi M. KAOUA
Thés. ServIce tochnique: IR IR rp G. JOLIVET T2 cnrs C. PERROT TAl Secrétariat: T. JASZAY F. BOULBIN A ATER Y. LORIN 1E2 cnrs M. VIOLLEAU AI IR rp Thés. mro E. SAMSON TR i F. RENAUDINEAU AT1 J. ERIEAU 4D A. ZOUBIRI F. RAYMOND Thês, mro Thòs. bdì JL. AUDRAIN T3B P. RAOUL CES Thés. bdi P. BOISSELEAU T2 cnrs M. PAVAGEAU Thés. bdi Thés. R. SENHAJI Thés. Secrétariat: Thés. Thés. mro Secrétariat
M. BADAI KUSUMA E. FEDOROVICH
Thés. A. COEURDEUIL Thès. mro J. ERIEAU 4D Thés. mro A LE ROCH M2
2.2 - ORGANIGRAMME THEMATIQUE
Les thèmes scientifiques du laboratoire sont développés au sein des divisions qui ont des
orientations assez distinctes les unes des autres.
Leur dénominateur commun est la mécanique des fluides avec le même souci de construire des modèles mécaniques qui doivent être nécessairement validés par des expérimentations que la DHN et DMEE, disposant déquipement expérimentaux, sont susceptibles de réaliser.
Certaines intersections existent, c'est ainsi que les méthodes mises au point par la DMN pour résoudre les équations de Navier-Stokes sont actuellement utilisées par la DHN pour y
introduire une frontière libre. Cette opération ouvre la voie à un vaste champ d'investigation pour transposer toute l'hydrodynamique à surface libre "fluide parfait' au fluide visqueux.
Les principaux thèmes scientifiques des divisions sont rappelés sur l'organigramme
thématique ci-contre. Leur contenu sera développé dans le chapitre 3 consacré au bilan des travaux
et aux programmes scientifiques des divisions, ainsi que dans l'annexe "Fiches des travaux
scientifiques".
- ECOULEMENTS
A SURFA LIBRE
DIVISION -HYDROELASTICITE, ECOULEMENTS SUR
LES CORPS DE GEOMEIRIE SIMPLE
HYDRODYNAMIQUE
- MECANIQUE DU COMPORTEMENT DES NAVALE ENGINS MARINS
(Travaux à caractère numérique et expérimental)
- EQUATIONS DE NAVIER-STOKES POUR LES
DIVISION ECOULEMENTS INCOMPRESSIBLES
MODELISATION - EQUATIONSDE NAVIER-STOKES POUR LES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES
NUMERIQUE
(Travaux à caractère exclusivement numérique)
- DYNAMIQUE DE LATMOSPHERE HAB flEE
DIVISION
- DYNAMIQUE DES POLYPHASIQUES
MECANIQUE
- ENERGETIQUE ET PHENOMENES
ENERGETIQUE ET ELECTROCHIMIQUES
ENVIRONNEMENT (Travaux à caractère théorique, numérique et
2.3 - BUDGET DU LABORATOIRE
Les dépenses de fonctionnement du laboratoire se sont montées en 1992 à 5,8 MF. Le
budget consolidé 18,6 MF a été évalué en ajoutant les coûts salariaux supportés par le MEN et le
CNRS.
L'origine des ressources financières ayant permis d'assurer ces dépenses est illustrée sur les pages suivantes, globalement et division par division. La part contractuelle qui assure les 3/4 des dépenses de fonctionnement est ramenée à 1/4 dans le budget consolidé. Toutefois, si on retirait de
la contribution du MEN la part due à l'enseignement assuré par les enseignants-chercheurs, on arriverait sans doute en ce qui concerne la recherche, à un financement assez équilibré entre
contrats, MEN et CNRS.
La répartition des dépenses montre qu'une charge salariale relativement importante est
REPARTITION DES DEPENSES 1992
URA 1217
(1) Pour la DM.N qui utilise les moyens de calcul du CNRS, la dépense équivalente aux 400 unités de compte serait de 460 KF.
2.4 - EQUIPEMENTS
Division Hydrodynamique Navale:
- Bassin de traction (1978) - Canal de circulation (1978) - Tour dimpact (1981) - Bassin de houle (1985)
- Générateur de Mouvements Plans (1985) - Canal à houle bidimensionnel (1991) - Anémomètre laser (1992)
- Balance de remorquage 6 composantes (1993)
Division Mécanique Energétique et Environnement
- Transport diphasique horizontal (1981)
- Banc optique d'analyse des films minces (1984) - Veine de convection libre (1985)
- Banc diphasique vertical (1988) - Soufflerie de couche limite (1991)
- Jet libre plan (1984) & Jet pariétal (1991) - Soufflerie à retour
- Electrode tournante à haute température et haute pression
Des fiches donnant les principales caractéristiques de ces équipements sont présentées dans l'annexe.
3- BILAN DES TRAVAUX
ET PROGRAMME SCIENTIFIQUE DES DIVISIONS
3.1 - Division Hydrodynamique Navale
3.2 - Division Modélisation Numérique
jammescienti
La Division Hydrodynamique Navale du LMF est spécialisée dans l'étude des écoulements
hydrodynamiques internes ou externes, dans des fluides incompressibles, de masse spécifique importante, très souvent en présence d'une surface libre. Les phénomènes de cavitation liés aux
changements d'état possibles du fluide ne sont pas abordés. Trois types d'approches sont développées
- l'approche expérimentale qui s'appuie sur les moyens expérimentaux spécifiques dont dispose le laboratoire (bassin de traction, bassin de houle, canal de circulation). Elle est utilisée pour les études phénoménologiques nécessaires aux schémas de bases des modèles numériques
développés dans le laboratoire, ainsi qu'à la validation des codes réalisés.
- l'approche par modèle numérique. Les équations des écoulements étudiés, généralement à surface libre, sont résolues numériquement (méthodes des singularités dans I'hypothèses du fluide parfait, méthode des différences finies pour le fluide visqueux).
- l'approche par modèle physique. Le problème trop complexe pour être abordé
intégralement par un modèle numérique du type précédent est traité en couplant par exemple un
code mécanique avec des codes hydrodynamiques semi-empiriques.
L'ensemble des chercheurs de la division se répartit en deux équipes qui travaillent
principalement sur les thèmes des écoulements à surface libre d'une part, et le couplage fluide
structure dautre part.
Le bilan détaillé des travaux est présenté dans le document "Fiches des travaux scientifiques et équipements" annexé à ce rapport d'activité. On trouvera ici résumé, l'essentiel des acquis et des perspectives d'avenir concernant ces thèmes.
3.1.1 -Thème : Ecoulement à surface libre
L'objectif des travaux du laboratoire dans ce domaine est la compréhension et la modélisation
des phénomènes physiques liés à la présence d'une surface libre. Trois schémas peuvent être
retenus actuellement pour modéliser les écoulement hydrodynamiques à surface libre, un schéma
fluide parfait, un schéma fluide visqueux et un schéma couplé fluide parfait-couche limite
visqueuse. Après un bref exposé des travaux réalisés, dont l'organisation générale est résumée dans
le tableau joint, nous présenterons le programme scientifique de la division pour les prochaines
années.
A - Bilan des travaux sur les écoulements à surface libre:
Depuis une vingtaine d'années, le laboratoire a développé des modèles numériques traitant la
plupart des problèmes fondamentaux de l'hydrodynamique, tels qu'ils sont définis par l'I.T.T.C. (International Towing Tank Conference), dans l'hypothèse du fluide parfait.
E VISQUEUX .*
t
-.-. .. *-Stationnaire :
résolution indépendante dutemps
-Périodique établi :
résolution dans le
domaine fréquentiel ou à pas de temps -Instationnaire : résolution à pas de temps -Aleatoire : reconstitution à partir des fonctions de transfert
-Linéaire
-2e ordre
SL
(c)moyai
= Translation uniformed un navire, évaluation de la résistance à l'avancement = Tenue à la mer:
- diffraction - radiation - diffraction-radiation - diffraction-radiation avec vitesse d'avance
Manuvrabillté
-Non linéaire
Stationnaire
= Profils minces. = Tout problème traité en fluide parfait
à
condition d'une interaction faible.
Instationnaire pouvant conduire au régime stationnaire ou périodique établi. Equations moyennées par rapport au temps, mais résolution sans approximation stir les frontières ou les conditions aux limites,
(c)ritet
Translation uniforme d'une carène.
= Profil 2D sous la surface libre. = Mouvement de fluide en milieu fermé.
A(I) = O
hors couche limite
Equations de la
CL
près du corps
Equations de Navier-Stokes moyennées
Méthode des
de
Kelvin singularités le corps
singularités
de
Rankine
singularités sur SL & sur le corpsRésolution classique d'équations différentielles Utilisation des solutions "fluide parfait"
QUE
DELHOMMEAU
AQUAYN
AQJA+
ALESSANDRINI
LIA
CLEMENT
CANAL
MAISONDIEU
ALESSANDRINI
couplage de (ONERA) avecpour SIREHNA
ALESSANDRINI
DELHO MMEAU
ILI[A
GENTAZ
CORDONNIER
MACU
Résistance à l'avancement en fluide parfait:
Les travaux réalisés au laboratoire ont conduit à l'élaboration de plusieurs codes de calcul de la résistance de vagues (résistance à l'avancement en fluide parfait) fondés sur diverses méthodes en 1975, la méthode de Guilloton; en 1978, la méthode des singularités de Kelvin pour des corps
entièrement immergés; en 1985, la méthode des singularités de Rankine (programme REVA:
G.Delhommeau, J.J.Maisonneuve) qui permet de traiter tous types de corps perçants ou non la surface libre. Depuis 1990, le problème des profils ponants a été étudié et les résultats obtenus
validés en collaboration avec le C.E.A.T. de Poitiers (M. Guilbaud). Diverses méthodes permettant de prendre en compte numériquement la condition de radiation ont été étudiées. Depuis 1992, les premiers essais d'algorithmes généraux permettant de délinéariser les conditions de surface libre ont été entrepris sur des carènes analytiques.
Tenue à la mer en régime périodique établi:
Dans le domaine de la tenue à la mer, plusieurs codes de calcul traitant le problème en fluide parfait, en profondeur infinie ou finie uniforme, avec ou sans vitesse d'avance ont été réalisés au
laboratoire. Ces codes utilisent la méthode des singularités de Kelvin avec différents types de
singularités: en 1978, AQUADYN (P.Guével, J-C.Daubisse, G.Delhommeau) résout le problème de la tenue à la mer au premier ordre au point fixe, en profondeur infinie ou finie uniforme, à l'aide
d'une distribution de singularités mixte de Green; en 1980, DYNAPLOUS (J.Bougis) résout le problème exact de la tenue à la mer avec vitesse d'avance au premier ordre; en 1981, ARGOS
(A.Grékas) résout le même problème avec une approximation dans la condition de surface libre. En 1987, des méthodes rapides d'évaluation de la fonction de Green à partie de valeurs tabulées ont
permis d'améliorer la vitesse de calcul du code AQUADYN d'un facteur variant de 10 à 50
(version AQUADYN 2.1: G.Delhommeau). Ces méthodes Ont été mise en oeuvre dans le code
AQUAPLUS (1988, G.Delhommeau) utilisant une distribution de sources de Kelvin avec la possibilité de prise en compte d'une approximation de la condition de surface libre avec vitesse
d'avance. La validation expérimentale des résultats a été réalisée en collaboration avec le C.E.A.T.
Poitiers (M.Guilbaud). En 1988, le problème des oscillations basse fréquence en houle
bichromatique a été abordé dans le code BOLANG (X-B.Chen). En 1991, un code de résolution du problème de tenue à la mer avec vitesse davance par la méthode des singularités de Rankinea été
écrit (AQUAREVA). Le problème principal de cette méthode, qui est l'absorption numériqueaux
bords de la boîte de calcul, est actuellement résolu par une nappe absorbante située sur la limite externe de la surface libre.
Couplage fluide-structure:
Les codes réalisés en tenue à Ia mer ont été modifiés pour réaliser, en collaboration avec le
laboratoire de mécanique des structures, un code de couplage hydroélastique et aéroélastique
(HYDELA: B.Peseux, G.Delhommeau), permettant aussi de résoudre les problèmes d'acoustique. Hydrodynamique instationnaire:
L'étude des écoulements instationnaires en fluide parfait a été entreprise depuis 1986 avec la
modélisation du problème bidimensionnel linéaire en domaine borné par la méthode des
singularités de Kelvin. Pour pouvoir étendre le domaine d'application au cas des conditions aux
limites non linéaires, ce code a été réécrit en utilisant la méthode des singularités de Rankine (1987, code ACHIIL2D: A.Clément). Le développement suivant a consister à introduire les
conditions aux limites non linéaires par la méthode mixte Euler Lagrange (1990, code CANAL1.1:
A.Clément). Ce code a été appliqué avec succès à l'étude de différents problèmes, tels que la
rupture de barrage ou l'effet d'un obstacle sur un soliton. II est aussi utilisé pour étudier le problème de la génération et de l'absorption de la houle. En 1988, un code de calcul tridimensionnel linéaire utilisant la méthode des singularités de Kelvin a été écrit (KRIL3D: P.Ferrant). Ce code utilise une
fonction de Green tabulée, ce qui diminue considérablement les temps de calcul. Pour pouvoir
ultérieurement tenir compte des non linéarités, un code de calcul tridimensionnel en domaine borné utilisant la méthode des singularités de Rankine a été développé (CUVE2.1: P.Ferrant).
Couplage fluide parfait-couche limite:
En 1991, pour résoudre le problème de la couche limite visqueuse, le code de résistance de vagues REVA a été couplé avec le code de couche limite 3C3D du CERT-ONERA. Le code 3C3D utilise une méthode de couplage directe, le champ extérieur étant pris en compte par l'intermédiaire
d'une vitesse de transpiration. Les temps de calcul du problème couplé ne sont pas auguienté de
plus de 20% par rapport à ceux en fluide parfait. Le problème de la convergence du couplage sans et avec surface libre a été étudié, ainsi que les limites de cene approche.
Fluide visqueux:
L'étude des fluides visqueux avec surface libre a initialement été entreprise en 1984, suite à
un stage d'une année effectué au Japon, à l'Université de Tokyo, par J.P. Cordonnier dans le
laboratoire du Professeur Miyata. La méthode utilisée pour modéliser les écoulements visqueux bidimensionnels est la méthode TUMMAC (Tokyo University Modified Marker and Cell). Cette
méthode a été d'abord utilisée pour modéliser les vagues engendrées par un profil situé sous la
surface libre. L'étude du sloshing (phénomène d'impact d'un fluide sur les plafonds des cuves) a
ensuite été entreprise. Les résultats obtenus montrent un bon accord avec la code instationnaireen
fluide parfait CANAL jusqu'à l'apparition du déferlement.
A la suite des travaux de couplage fluide parfait-couche limite, la modélisation directe des écoulements avec surface libre à partir des équations de Navier-Stokes a été entreprise. Les
modélisations sans surface libre, utilisant la méthode des différences finies sans fonction de paroi, sont actuellement bien maîtrisées par la division modélisation numérique du laboratoire. Celles-ci
Ont modifiées pour tenir compte des particularités du problème, ce qui a conduit à l'écriture
d'un code de calcul spécifique (ELISA: B.Alessaridrini). Ce programme a été testé sur la carène
analytique de Wigley en mouvement de translation instationnaire. Malgré des temps de calcul importants (de l'ordre de 300 fois ceux de la modélisation en fluide parfait: 20 Heures CPU CRAY2), les résultats actuels sont satisfaisants et permettent de prédire la résistance totale
(résistance de pressions normales et résistance de frottement), ainsi que les grandeurs locales avec
une bonne précision. Un code de calcul bidimensionnel permettant de résoudre les problèmes
d'écoulements avec houle est en cours de réalisation.
B - Programme scientifique dans le domaine des écoulements à surface libre:
a-) Etudes numériques:
Sur le plan numérique, les développements futurs de ces thèmes s'orientent dans plusieurs directions.
En résistance de vagues, les modèles linéaires ne seront modifiés que sur des points de détail visant à améliorer leur fiabilité et leur facilité d'emploi. Le couplage avec un code d'hélice plus ou moins simplifié pourra permettre de simuler des essais en autopropulsion. Les recherches en cours
portent sur les modèles non linéaires généraux permettant de prendre en compte exactement les conditions de surface libre en fluide parfait. Ces modèles constituent une tentative pour essayer
d'améliorer la précision des résultats sans augmenter notablement la durée des calculs (temps de calcul multiplié par 2 ou 3). Leur validité et leur domaine d'application reste à étudier.
Dans le domaine de la tenue à la mer, la méthode des singularités de Rankine pourra être
développée pour tenir compte des différents termes non linéaires des conditions de surface libre,
ainsi que des termes de couplage entre le problème avec vitesse d'avance et le problème de la résistance de vagues. On pourra ainsi déterminer l'influence de ces termes sur le calcul de la
résistance ajoutée sur houle.
Dans le domaine des écoulements instationnaires à surface libre en fluide parfait, l'utilisation
des processus d'identification dans les méthodes à pas de temps paraît susceptible de réduire de
façon considérable les temps de calculs de l'approche linéaire.
Le calcul des écoulements internes de fluides visqueux par la méthode TUMMAC sera
généralisé au cas des cuves tridimensionnelles. L'étude des écoulements
extérieurstridimensionnels pourra aussi être envisagé par cette méthode dont l'intérêtprincipal est qu'elle
La modélisation Navier-Stokes avec surface libre sera développée et généralisée pour pouvoir
calculer l'écoulement autour de carènes pouvant être décrites par un maillage monobloc. Les
problèmes majeurs restant à résoudre pour les applications pratiques sont le défaut de convergence de ces méthodes aux grands Reynolds (> lO) et la modélisation de la turbulence. Une diminution
des temps de calcul est envisageable (temps divisé par un facteur 2 à 3), mais reste limit&. La modélisation bidimensionnelle sera donc utilisée pour tester un grand nombre de problèmes physiques et de schémas numériques avec des temps de calculs raisonnables. Un des objectifs
importants du code bidimensionnel est la détermination par tranche, des amortissements visqueux dont la connaissance, même approchée, augmentera considérablement le domaine d'application des codes de calculs linéaires en permettant de prédire les mouvements au voisinage des résonances.
La modélisation Navier-Stokes devrait permetue à plus ou moins long terme de traiter tous les
problèmes classiques de l'hydrodynamique (résistance à l'avancement, tenue à la mer,
manoeuvrabilité, problèmes instationnaires...), sans qu'il soit nécessaire de coupler plus ou moins
artificiellement différents modèles. Des études locales fines, inabordables actuellement par le calcul, seront aussi possible dans certaines régions (arrières corps des navires, tableau arrière,
sillage, interaction couche limite-surface libre, etc...). b-) Validations expérimentales:
Tous ces efforts sur le plan numérique sont accompagnés de travaux expérimentaux sur
maquettes, en présence ou non de houle, dans les installations expérimentales du laboratoire.
Du fait de la complexité des écoulements à surface libre, une première validation des codes de calcul par des mesures globales est souvent nécessaire. C'est le cas de la résistance ajoutée sur houle, de la mesure du torseur complet des efforts sur des carènes de voiliers, de la détermination
expérimentale des amortissements de roulis et de la caractérisation de la houle en bassin. Le
problème de la génération-absorption de la houle en bassin sera aussi validé expérimentalement, ainsi que différents concepts de batteur-absorbeur.
Les études fines sont réalisées par des sondes automatiques asservies de mesure du niveau d'eau et par anémomèuie Laser. Elles sont actuellement entreprises dans le cadre de thèses sur les
profils de vagues d'étrave, le comportement des carènes de type voilier et la cinématique de l'écoulement en aval d'un tableau arrière. Dans l'avenir, ces études seront concentrées sur les difficultés de modélisation numérique importantes, telles que le cas des voûtes arrières, des
tableaux arrières immergés, du déferlement de la vague d'étrave, du rouleau d'étrave, des jets aux
grandes vitesses et de l'écoulements dans les angles. Elles permettront de valider les codes de
calcul en fluide visqueux et pourront être le point de départ de tentatives de modélisations en fluide parfait dans le cas d'écoulements complexes.
3.1.2. Thème: Couplage Fluide-Structure
L'étude des systèmes marins comportant des câbles (remorquage, ancrage, pose de câbles...) a
été à l'origine de cette activité de la Division d'Hydrodynamique Navale.. Ces travaux se
poursuivent par le développement de logiciels entièrement nouveaux palliant les défauts constatés
dans ceux de la première génération. L'étude des systèmes remorqués nous conduit aussi à nous
intéresser à la "Mécanique du Vol" des engins sous-marins et en particulier aux méthodes,
expérimentales, analytiques ou numériques, de détermination de
leurs coefficients
hydrodynamiques. Nous développons actuellement un logiciel d'étude dynamique de systèmes
comportant plusieurs câbles.
La modélisation des efforts hydrodynamiques agissant sur un câble est un problème complexe de couplage fluide-structure puisque des lâchers de tourbillons excitent le câble et en provoquent
des vibrations. Celles-ci ont des conséquences importantes, en particulier en ce qui concerne
l'augmentation apparente du coefficient de traînée. Nous cherchons à caractériser et à expliquer ces
phénomènes par des études en bassin d'essais des carènes (mesures d'efforts globaux et de
pressions sur des éléments de cylindres rigides entraînés dans un mouvement de translation
uniforme combiné avec un mouvement de pilonnement vertical et sinusoïdal) et par des
modélisation numériques (calcul des efforts et reconstitution de l'écoulement par des méthodes
Enfin, l'expérience acquises à propos des câbles nous a permis de nous intéresser à un
problème original : l'étude des surfaces réticulées en équilibre dans un courant uniforme. Bien que
ce soit une étude "statique", il s'agit d'un réel problème de couplage fluide-structure puisque la forme de la structure dépend essentiellement des efforts hydrodynamiques qui lui sont appliqués et que ceux-ci dépendent eux-mêmes de la forme de la structure. Cette étude nous a fait entrouvrir de nombreux sujets de recherche et c'est ainsi que nous abordons maintenant l'étude de l'écoulement dans un tronc de cône limité par une surface poreuse (intégration des équations de Navier-Stokes).
Cette dernière partie a été développée en collaboration avec l'équipe du laboratoire
IFREMER de Lorient et dans le cadre de plusieurs contrats européens.
Relations internationales:
Les principaux contacts de la division à l'étranger sont : aux U.S.A., le M.I.T. (Pr N.Newman,
Pr. P. Sclavounos, Pr. D.Yue), l'Université du Michigan (Pr. R.Beck), l'Université de Berkeley
(Pr.J.Wehausen), l'Université de Californie (Pr. R.Yeung), l'Université de Rhode Island
(Pr S.Grilli); au Japon, l'Université de Tokyo (Pr. H.Miyata), l'Université de Kyushu
(Pr K.Nakatake); en Grande-Bretagne, l'Université d'Oxford (Pr. R.Eatock-Taylor), l'Université de
Bristol (Pr. D.Evans); en Allemagne le H.S.V.A. (Dr. G.Jensen), l'Université de Hamburg
(Dr. V.Bertram), l'Université de Bremen (Pr. S.Kastner); en Italie l'Université de Trieste
(Pr A.Francescutto), I'LN.S .E.A.N. (Dr; E.Ca.rnpana).Actions particulières
Les actions particulières de la division en 1993 concernent:
- l'organisation les 1, 2, 3 mars 1993 des 4e Journées de l'Hydrodynamique (rapport en 4.1) - la constitution d'un G.D.R sport avec le CRAIN et la faculté des Lettres de Nantes
- l'organisation du 20 au 24 septembre 1993 de la 19th Wegemt School: "Numerical Simulation of Hydrodynamics Ships and Offshore Structures"
- La signature d'une convention de collaboration et de promotion des moyens d'essais
hydrodynamiques entre 1'ECN, la DCN, 1'IFREMER et Sirehna en 1993. Convention intitulée
Convention Promehyd (voir fiche ci-après).
Chercheurs de la Division
Professeurs D. MARICHAL
P. SULMONT Responsable de l'Unité et de la DHN
Maîtres de Conférences P.L. B OURGET, Docteur-ingénieur J.P. CORDONNIER, Docteur-ingénieur
C. JACQUOT, Docteur Nantes
J.M. KOBUS, Docteur-ingénieur G. LE ROUZIC, Docteur-ingénieur
Assistants
A. BELVAL
B. DAOUD,ATER
Ingenieurs de Recherche B. ALESSANDRINI
AUGER
A. CLEMENT, Docteur-ingénieur C. COUCHMAN
DELHOMMEAU, Docteur ès Sciences
Thésards BENSLAFA
Ph. BOINEAU
CI-IEIKHBRAHIML. GENTAZ
F. LARRARIE C. MAIS ONDIEU S. MAS C. TALOTTECONVENTION DE COORDINATION ET DE DEVELOPPEMENT
DES MOYENS D'ESSAIS EN HYDRODYNAMIQUE NAVALE ET OCEANIQUE - CONVENTION
PROMEHYD-La Direction des Constructions Navales (DCN-Bassin d'essais des carènes) L'Ecole Centrale de Nantes (ECN)
L'Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER),
La Société d'Ingénierie de Recherches et d'Etudes en Hydrodynamique Navale (SIREHNA), ont signé en mars 1993 une convention en raison des motifs suivants:
- opportunité offerte par la diversité des expériences et des approches des partenaires, de mettre en oeuvre une collaboration dans le domaine de l'enseignement et de la recherche sur les
méthodes et les techniques d'essais,
- nécessité d'optimiser les investissements pour tirer le meilleur parti des financements
nouveaux en particulier en évitant les redondances.
- besoin d'une meilleure exploitation de la complémentarité de leurs moyens pour mieux
répondre aux besoins du marché et en particulier du marché international,
- nécessité de rechercher de nouveaux clients pour mieux exploiter commercialement leurs moyens matériels et humains,
Pour ces motifs, les partenaires signataires de la convention qui sont propriétaires et/ou utilisateurs de moyens d'essais ont décidé de coopérer entre eux pour atteindre les ojectifs qui
suivent
- promouvoir en commun leur savoir faire et leurs moyens, - faciliter l'accès de leurs propres moyens aux autres partenaires, - définir en concertation les nouveaux moyens expérimentaux, - favoriser les échanges entre les équipes qui exploitent les moyens.
La convention PROMEHYD définit le cadre général de la collaboration entre les
partenaires. Deux groupes de compétence ont été créés
: "Promehyd-Promotion" et Moyensd'essais"
Ces deux groupes ont pour mission de mettre en oeuvre les actions propres à réaliser les deux
objectifs principaux visés par la convention:
- la promotion du savoir faire et des moyens des partenaires - la définition des nouveaux moyens d'essais.
Les partenaires ont accès aux moyens d'essais et équipements associés d'un autre partenaire pour conduire leurs propres recherches et essais.
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3.2.1. Bilan des travaux
Les Etudes et Recherches effectuées au sein du Groupe de Modélisation Numérique se
donnent pour objectif de comprendre de façon fine et de modéliser les écoulements dans des situations aussi proches que possible de la réalité. Nous nous intéressons ainsi à l'analyseet à la prédiction des écoulements tridimensionnels de fluides visqueux au moyen des Equations de
Navier-Stokes-Reynolds complètes, tant pour les fluides incompressibles que, depuis 1984, pour les fluides compressibles. Dans tous les cas considérés, les seules approximations retenues sont celles liées à la nécessaire introduction d'un modèle de turbulence. Le but principal de l'activité est donc
la prédiction d' écoulements visqueux turbulents complexes autour de géométries de complexité
croissante. Cela signifie qu'il est possible d'obtenir très rapidement un volume d'informations sur
les écoulements à un niveau de détails que les expériences les mieux élaborées fournissent
difficilement. Le but de tels calculs n'est pas tant de remplacer les besoins de tests sur modèles que d'identifier les qualités et les défauts d'une forme géométrique, d'en assister la conception en vue de
l'obtention d'une forme plus favorable du point de vue de l'écoulement.
Les situations physiques considérées ont en commun l'existence de phénomènes
d'interaction visqueuse, pour lesquels une résolution successive des équations de fluide parfaitet de
couche limite n'est pas possible. Le recours aux équations de Navier-Stokes est donc inévitable, avec des exigences de résolution extrêmement contraignantes. La première caractéristique des
travaux effectués réside dans le développement de méthodes de résolution suffisamment robustes pour permettre de disposer d'un nombre suffisant de noeuds de maillage dans leszones visqueuses.
Grâce à ces méthodes, il est possible d'imposer effectivement la condition d'adhérence à la paroi et
d'éviter l'introduction de lois de paroi dont il a été démontré qu'elles ne permettaient pas une modélisation satisfaisante de l'aérodynamique et de l'hydrodynamique des corps fuselés. La principale limite d'un code de calcul Navier-Stokes se situe en effet, pour l'ensemble des cas
considérés, au niveau de l'utilisation d'une loi de paroi, avant de se situer au niveau du modèle de turbulence.
Les résultats présentés dans les fiches annexées au présent rapport étayent les points de vue suivants
Le champ de pression est le mécanisme controlant les écoulements qui sont le siège d'une importante interaction visqueuse.
Un modèle de turbulence ne vaut, dans ces conditions, que ce que vaut la loi de paroi. Pour utiles que seraient de substantielles améliorations des modèles de turbulence utilisés, il est dores et déjà possible, sur la base des modèles existants, d'approfondir notre connaissance des écoulements complexes, à condition de disposer d'un ensemble suffisant de points de discrétisation et de solveurs robustes garantissant de bonnes conditions de convergence, même sur maillages fins.
L'hypothèse qu'il est possible d'obtenir des renseignements pertinents pour la critique de formes aérodynamiques tridimensionnelles du type de celles considérées ici avec moins de 100000
points, ne résiste pas aux faits dictés par la physique
et à l'exigence d'avoir des résultats
indépendants du maillage.
Au niveau d'une forme aussi simple qu'un ellipsoïde de révolution, l'obtention de résultats strictement indépendants du maillage exige d'atteindre des résolutions entre 500000 et 1000000 de
points -permettant, en outre, de caractériser les points critiques de l'écoulement- à la limite de
6. Ce n'est qu'à de telles conditions que des informations non biaisées sur les modèles de
turbulence peuvent êue obtenues.
La caractéristique des calculs présentés est de justifier ces ordres de grandeur et d'approcher ces limites, par un soin particulier apporté au niveau des méthodes et par l'efficacité de celles-ci.
Une autre caractéristique du travail est l'étude de géométries typiques en situation réelle ayant en commun l'existence de bases de données expérimentales particulièrement détaillées, portant non seulement sur le champ de pression (sa prédiction est, sauf exceptions mentionnées, facile), mais aussi sur les profils de vitesse, sur les frottements et sur des quantités dérivées
importantes, telles que les champs tourbillonnaires. Le travail a ceci de spécifique que la validation
des méthodes aura porté, non seulement sur des cas géométriquement simples et laminaires
classiques (cavité entraînée, cylindre circulaire, marche descendante), mais aussi, et surtout, sur des
géométries en situation réelle, faisant intervenir des écoulements turbulents, des décollements massifs et des tourbillons longitudinaux. A cet égard, le présent travail a été, pour la partiequi relève de la modélisation des écoulements incompressibles, couronné en 1991 par l'obtention d'un second prix au concours Seymour Cray. Il se caratérise par une validation systématique portant sur une aussi grande diversité de géométries, dont certaines sont particulièrement "célèbres" pour la complexité des écoulements qu'elles occasionnent (bateau, ellipsoide, jonction).
L'activité exclusivement numérique est axée sur les équations de Navier-Stokes-Reynolds et
nécessite d'importantes ressources informatiques (CPU, temps de session
conversationnel, mémoire, stockage) qui n'existent pas dans le cadre de l'Université de Nantes. La travail dedéveloppement et de validation des méthodes et des codes de calcul est effectué au CIRCE, et pour
certaines applications moins consommatrices de temps cpu, sur stations de travail. Les calculs
importants sont ainsi effectués sur le VP200 du Circé et sur le Cray2 du
CCVR grâce, enparticulier, à des dotations de ressources en Unités de Compte par la Direction Scientifique du SPI
(1heure VP200 = 2U.C., 1heure Cray2 2,5U.C.)
Sur le VP200, 267 U.C. en 1990, 725 U.C. en 1991, 1271 U.C. en 1992 ont étéconsommées
au Circé, à plus de 60% pour du cpu sur
VP200. A cette croissance rapide correspond unedécroissance des U.C. consommées sur Cray2, par suite de la saturation de cet ordinateur. Ainsi
alors que près de 350 heures monoprocesseur ont été, tous comptes confondus, consommées sur Cray2 en 1990, Ia consommation en 1992 est tombée à près de 100 heures monoprocesseur.
Les activités du Groupe de Modélisation Numérique se classent sous deux rubriques
principales.
Le thème 1, le plus avancé, concerne la modélisation des écoulements de fluides visqueux à basse vitesse, en utilisant l'hypothèse d'incompressibilité (champ de vitesse à divergence nulle).
Le thème 2 concerne la modélisation des écoulements à grande vitesse et, pour l'essentiel, les cas où le champ de vitesse est transonique.
Du fait de l'achèvement, dès 1991, de la validation des logiciels de résolutions des équations
de Navier-Stokes pour un fluide incompressible, les années 1991-1993 ont été mises à profit pour
standardiser les codes disponibles en les "flan quant" de bibliothèques (boites à outils solveurs, préprocesseurs de maillage unidomaines, posrprocesseurs graphiques, menus déroulants pour la
création de fichiers de données) et en les "habillant" de façon à permettre une rapidité et une simplicité d'utilisation accrues. Ce travail a été effectué à l'occasion du transfert de ces logiciels
auprès d'utilisateurs extérieurs à l'équipe. Dans le cas des solveurs Navier-Stokes, il s'agit du
Bassin des Carènes qui utilise les logiciels HORUS (Centres du Bld. Victor et du Vaudreuil). Dans le cas des postprocesseurs, le logiciel ASCETE, développé depuis 1988 par Y. Lecointe a poursuivi sa "carrière commerciale", vendu aujourdhui à une douzaine d'exemplaires (chez Peugeot, Renault, SEP, IFP, Bassin des Carènes, ONERA) et tournant sur stations Silicon-Graphics de la série 4D. L' utilisation du solveur pour les équations de Navier-Stokes-Reynolds d'un écoulement turbulent
visqueux, stationnaire ou jnstationnaire, d'un fluide incompressible est maintenant possible sur
De-nouvelles difficultés peuvent ainsi être prises en compte sur la base du logiciel existant. Il est ainsi possible de modéliser des écoulements autour de géométries du même degré de difficulté que celles déjà traitées, mais faisant intervenir une physique plus complexe (décollement massif sur la niche à chiens d'un hélicoptère, décrochage dynamique turbulent d'un profil d'ailes, effets de sol d'un véhicule automobile, sillage instationnaire d'une barre de structure offshore ou d'un batiment) avant que la considération de géométries plus complexes et plus complètes (sous-marin) soit mise à l'ordre du jour.
Dans le domaine des fluides compressibles, les années 199 1-1993 ont été caractérisées par
des études de cas pour la validation des codes de résolution des équations de Navier-Stokes
compressibles, à la fois en configuration interne (grilles d'aube et bossages donnant lieu à des
interactions onde de choc-couche limite) et en configuration externe (ailes tridimensionnelles). Le travail à venir s'orientera vers l'examen de méthodes multidomaines en vue d'aborder le problème de l'interaction rotor-stator dans les turbomachines.
Le lecteur trouvera dans les fiches annexées quelques exemples de calculs effectués, qui
permettront de situer l'état de l'art et de préciser en conclusion les orientations futures de l'équipe.
3.2.2. Fonctionnement
Les diagrammes présentés dans le paragraphe 2.3 relatifs aux budgets hors salaire
etconsolidé font ressortir le caractère atypique du fonctionnement du G.M.N.: la couverture du
budget de fonctionnement résultant des contrats d'études et de recherche approche 87% en 1992.
Le budget consolidé inclut les salaires des personnels permanents en poste (J. Piquet et G.
Capdeville (MEN), P. Queutey et M. Visonneau (CNRS) ; ainsi que les salaires des boursiers
thésards -V. Rochery (MRT) jusqu'en mars 1992, E.Guilmineau (MRT) depuis septembre 1992, A.
Garapon (DRET)- II apparait qu'en tenant compte de l'inclusion de ces salaires dans le budget
de fonctionnement, la couverture contractuelle est encore près de 40%. En
termes deressources pour le fonctionnement, la dotation de ressources MEN est de 75947 F et la dotation de ressources CNRS est de 83400 F.
Si l'on considère, maintenant, le diagramme de répartition des dépenses, il apparaitune
partie en diminution relative, mais encore très importante, correspondant aux salaires versés aux
ingénieurs payés sur ressources propres (contractuelles) de l'équipe (G.B. Deng, V. Rochery de
mars à juillet 1992), ainsi qu'aux indemnités de chomage versées aux thésards en fm de bourse ouà des ingénieurs dont le contrat d'embauche n'a pas été reconduit (M. Ferry, V. Rochery). Enfin, la
part salaire correspond aussi, exceptionnellement, à la rétribution d'activités spécifiques et non
durables.
Le poste calcul reste limité, grâce à la Politique CNRS de dotation par Unités de compte.
Les ressources payées sur Circé correspondant à la partie non convertie en U.C. reste très modique
sur 1992. Du fait que les dotations en U.C. n'ont pas été intégrées dans les diagrammes de
dépenses, la contribution CNRS au fonctionnement du Groupe est fortement sousestimée. Une indication de cette sous-estimation peut être fournie en se basant sur la valeur, fixée de façon
interne au CNRS, de l'équivalent monétaire de l'U.C. (1400 F). En dépit
du caractère
nécessairement arbitraire de cette équivalence, le fait que les dépenses résultantes de calcul montent
à près de 1,38 MF sur CIRCE (dont 60% en cpu) démontre à l'évidence l'importanceque peut
prendre la Politique CNRS sur l'orientation des recherches en matière de calcul numérique intensif. Il faut toutefois tenir compte, dans les dépenses calcul, des frais de maintenance des stations de travail , des achats de micro-informatique et de licences de logiciel tournant sur stations de
travail , ainsi que des frais de calcul (sur Vax 4500) des étudiants de DEA.
Le poste fonctionnement
couvre les dépenses du Groupe relatives aux frais de
documentation, de menu secrétariat, de réfection des bureaux et, surtout, les dépenses de
Enfin, le poste équipement correspond à lachat, par le Groupe, d'une station de travail
Silicon Graphics Indigo en 1992. Cet achat a été suivi par celui de trois stations début 1993 (une indigo XZ et deux indigo entry). L'équipe se trouve donc dotée aujourdhui de six staüons de travail
Silicon Graphics (dont une est partagée avec la Division Hydrodynamique Navale); ce qui lui
permet de faire face à l'abandon de la grappe de terminaux 3270 mise à la disposition de
l'Université de Nantes par le Circé et devenue obsolète par suite de la mise en place, fin avril 1993, des liaisons Ouest-Recherche et Renater à 2 Mb.
Les stations de travail Sont utilisées pour le développement, ainsi que pour la préparation des fichiers de données et l'analyse des résultats de calcul au moyen de logiciels de visualisation graphique développés sur ressources propres.
Depuis 1991, le fonctionnement du Groupe de Modélisation Numérique a évolué de la façon
suivante
Un enseignant a été fixé à l'E.C.N. dans le domaine de la Mécanique des Fluides
Numérique en octobre 1991. Ii s'agit de M. G. Capdeville qui intervient pour l'essentiel au niveau de la sous-section "Modélisation Numérique" de l'Option "Constructions Mécaniques et Navales"
et a contribué à la réduction de la surcharge d'enseignement et d'encadrement assumée par les
chercheurs de l'équipe. Cette sous-section, mise en place à l'ECN depuis octobre 1989, est ouverte à une douzaine d'étudiants et nous permet maintenant de réinitialiser des thèses dans des conditions satisfaisantes.
L'équipe de recherche fonctionne principalement sur deux postes CNRS (l'un obtenu en octobre 1985, l'autre en octobre 1990). Compte tenu du role très important de l'activité logicielle de l'équipe, compte tenu de la charge logistique qu'une telle activité implique, il s'agit d'un minimum très préoccupant puisque l'Ingénieur de l'équipe, Y. Lecointe, professeur à l'IS ITEM depuis octobre
1991, a quitté le Laboratoire. Le thème 'incompressible' est ainsi "couvert" par trois permanents
alors que le thème "compressible", suivi par G. Capdeville est nettement "sous-critique".
Le personnel payé sur ressources propres a fortement diminué: outre G. Capdeville,
ingénieur sur ressources propres, intégré comme Maitre de Conférences, G.B.Deng a été
partiellement payé sur le poste libéré par Y. Lecointe.
Le travail réalisé n'aurait pu âtre mené à bien sans l'aide de première importance accordée par la DRET (conventions 87/256, 89/117, 89/154, 90/232). Sans l'aide financière constante du Groupe
VI, le GMN n'existerait pas. Une bourse a également été attribuée en octobre 1991 pour le
développement d'études d'écoulements avec surface libre.
Une aide très importante est venue du CNRS à travers la poursuite de la Politique des moyens de calcul, basée sur l'attribution de ressources par la Direction Scientifique du SPI. En l'absence de moyens de calcul régionaux significatifs, il nous parait nécessaire de rappeler l'importance, pour une équipe de Recherche isolée, de l'accès, au moyen de liaisons à haut débit, à un Centre de Calcul national sur lequel il est possible d'effectuer des calculs tridimensionnels avec un temps de réponse
acceptable et, dans des conditions financières satisfaisantes. Loin de diminuer dans l'avenir, la complexité accrue des écoulements, une croissance des besoins en points de calcul, la prise en
compte de géométries plus complexes par des procédures multidomaines, tout concourt à ce que les besoins augmentent, à ce qu'un ordinateur encore plus puissant et plus rapide apparaisse nécessaire.
Les deux Stations de travail 'Silicon Graphics", achetées pour la visualisation des résultats de
calul ont bénéficié d'une aide régionale à l'investissement, de l'ordre de 25 % du montant d'in vestisement
Nous sommes enfin redevables à de nombreuses équipes, tant francaises qu'étrangères, pour l'accès qui nous a été facilité à leurs banques de données expérimentales.
3.2.3. Conclusion et programme scientifique
Les résultats présentés montrent qu'une étude relativement exhaustive des phénomènes physiques caractéristiques de l'interaction visqueuse a été réalisée. Cette étude nous a permis de montrer que les principales caratéristiques des écoulements ont été correctement capturées et de
chiffrer de façon précise
es exigences minimales de maillage, lorsque des phénomènes dedécollement massif ou d'enroulement tourbillonnaire sont présents. Elle nous a aussi permis
d'étudier la topologie de ces écoulements (points critiques, lignes de frottement) et d'avoir accès à
une meilleure compréhension globale de ceux-ci. La production d'estimations des coefficients aérodynamiques et des marges d'erreurs sur ceux-ci a été esquissée par l'étude de la déduction de poussée dans une situation de sillage effectif (en présence d'hélice) à syméuie axiale.
Après l'étude des tests classiques de schémas sur des cas simples (cavité, parallélépipède, marche, cylindre circulaire. ..) et en l'absence de solutions analytiques suffisamment réalistes qui
permettraient de tester au mieux les schémas numériques utilisés, de telles comparaisons
systématiques étaient un prérequis avant qu'il Soit possible d'acquérir un jugement non biaisé sur
l'adéquation, aux problèmes traités, des modèles de turbulence retenus. L'examen de ces divers
problèmes tridimensionnels nous a appris que, en dépit de leurs propriétés théoriques non
satisfaisantes, des modèles de turbulence simples, de type viscosité turbulente algébrique ou K-c, permettent de capturer la physique de l'écoulement moyen. La raison fondamentale de ce résultat réside en ce que, pour des géométries complexes, le champ de pression est le mécanisme essentiel
contrôlant l'écoulement et distribuant spatialement la quantité de mouvement, sur la base d'un équilibre approximatif entre convection et contraintes de cisaillement turbulent. Cela ne signifie
pas que les efforts d'amélioration des modèles de turbulence sont inutiles, mais que, sur la base des modèles existants, fussent-ils les plus simples, il est déjà possible d'approfondir notre connaissance des écoulements complexes sur des géométhes complexes.
Plus encore que le passage à des maillages plus fins que permettra l'acquisition par le CNRS
d'un nouveau superordinateur, la modification des modèles de turbulence est envisagée dans l'avenir en vue d'améliorer le comportement des modèles en situation de fort décollement. Deux
axes de travail sont envisagés pour cela. En premier lieu, sur la base de tentatives préliminaires déjà effectuées, nous nous appuierons sur des données de simulation directe existante pour améliorer le
comportement de modèles à équations de contraintes en vue de leur utilisation à certaines des
géométries complexes déjà étudiées. Compte tenu des limitations des données existantes (situations
où l'homogénéité statistique joue un role fondamental), nous devrons réaliser par ailleurs des
simulations de grosses structures sur des géométries simples, provoquant des gradients de pression
défavorables ou occasionnant des décollements, tant la modélisation des décollements apparait
aujourdhui comme le point clé d'un progrès de la discipline.
Parallèlement, l'étude d'un sous marin générique (projet DARPA) dont la géométrie a été
définie par l'ONR (Office of Naval Research) sera entamée. Les techniques de préconditionnement
par blocs, mises au point à l'occasion du développement des méthodes fortement couplées,
devraient nous permettre d'atteindre dans moins de cinq ans notre objectif de 5.106 points en trois heures sur un supercalculateur de nouvelle génération.
L'achèvement du travail de validation des solveurs pour la résolution des équations de
Navier-Stokes-Reynolds incompressible, impose la définition de nouvelles tâches de recherche
pour les années qui viennent. L'effort sera essentiellement focalisé dans deux directions: Développement de technologies Multiblocs
Chercheurs de la Division
Professeurs J. PIQUET Responsable de la DMN Maîtres de Conférences G. CAPDEVIILLE, Docteur Nantes
Ingenieurs de recherche GB. DENG, Docteur Nantes
Chargés de recherche
Thésards
P. QUEUTEY, Docteur Nantes
M. VISONNEAU, Docteur Names
A. GARAPON
A. GUIILMINEAU
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La Division Mécanique Energétique et Environnement (DMEE) a été constituée par la fusion du Laboratoire de Mécanique des Transferts Turbulents et Diphasiques (LMTFD) et du
Laboratoire d'Energétique (LEEC) dont les activités relevaient de la Mécanique des Fluides. Les
personnels et les moyens sont maintenant installées dans des locaux communs. La division est
organisée en deux équipes:
- Equipe Energ étique et Dynamique des Transferts
La restructuration du Laboratoire de Mécanique des Fluides a permis de conforter les recherches développées à l'Ecole dans le cadre de 1'Energétique et des Transferts. Les études
engagées par cette équipe s'appuient essentiellement sur une démarche expérimentale, utilisant de façon complémentaire une approche globale, relative à l'analyse du fonctionnement des processus
industriels, et une approche plus locale prenant en compte les conditions d'écoulement et les
caractéristiques physico-chimiques des fluides. L'objectif est de mieux qualifier les mécanismesen
vue de proposer des modèles physiques ou mathématiques. Les applications concernent les
turbomachines, les écoulements diphasiques liquide/gaz et les problèmes de corrosion. - Equipe Dynamique de ¡'Atmosphère Habitée
L'équipe a été créée en 1989 dans le cadre d'une collaboration avec le Centre Scientifique
et Technique du Bâtiment (C.S.T.B.) dans le but de réaliser un pôle de recherche mixte
CSTB-CNRS-ECN en "Simulation Numérique en Micrométéorologie Urbaine" situé à la charnière de la
dynamique de l'atmosphère et de la dynamique des fluides. Sa vocation est de développer des outils de simulation numérique des écoulements de la basse atmosphère urbaine permettant d'en étudier les effets: effets directs du vent sur les bâtiments (pressions, érosions)ou indirects (pluie
battante, transferts de polluants) mais aussi impacts sur les hommes au travers des effets de
transport et de dispersion des polluants produits dans les zones urbanisées. L'objectif de l'équipe est
de créer, valider et mettre en oeuvre des modèles permettant la simulation numérique des
écoulements responsables du transport et de la dispersion des constituants atmosphériques dans la
basse atmosphère, des très petites échelles de la canopée urbaine jusqu'aux échelles locales-régionales. Dans ce domaine d'échelles, la modélisation de la turbulence parait être l'un des
facteurs clés de la qualité des simu1aons numériques.
Les actions scientifiques relatives aux trois thèmes de recherche sont détaillées dans les fiches
jointes en annexe.
3.3.1 - Thème : Energétique et phénomènes électrochimiques
Concernant ce thème, on s'intéresse essentiellement à la fiabilité et à l'analyse énergétique
du fonctionnement de certaines installations ou processus industriels (ensembles propulsifs,
production de vapeur d'eau surchauffée, techniques ou appareils utilisant des fluides agressifs, ...).
Cette activité, basée sur l'application des concepts de l'énergétique, nécessite aussi la prise en
compte de la mécanique, des propriétés physico-chimiques des matériaux et des fluides, de la cinétique des réactions (combustion, corrosion, ...) et le recours à de nombreuses informations
expérimentales. L'objectif recherché est, en général, la modélisation des systèmes étudiésen vue de
fournir, grâce aux moyens informatiques, des outils de simulation permettant d'optimiser la
conception et le fonctionnement des installations. L'amélioration des performances, de la durée de
Deux domaines sont plus particulièrement abordés:
- l'énergétique des turbomachines;
- les interactions aux interfaces "solide-liquide"
Dans le premier domaine sont actuellement développés deux sujets:
- la simulation du fonctionnement des ensembles Diesel suralimentés de forte puissance; - l'injection partielle dans les turbines à vapeur.
Outre la recherche des conditions susceptibles de conduire à l'amélioration des
caractéristiques de fonctionnement, l'accent est mis sur l'étude et le maintien de l'intégrité des machines. Ainsi le logiciel SURGE constitue un outil performant dans la prise en compte du phénomène de pompage des compresseurs et la prévision des limites de fonctionnement des systèmes propulsifs par les Diesel suralimentés. Son développement actuel par l'adoption du langage ASCL est entrepris dans la perspective de la mise en place d'un système expert de type
diagnostic en relation avec le Laboratoire Naval Architecture & Marine Engineering de
l'Université de New-Orleans.
La mise au point d'une maquette exploitant l'analogie hydraulique a permis de situer avec
précision le supplément de force qui s'exerce sur les aubes lors de la phase d'injection partielle.
L'étude est poursuivie en collaboration avec le constructeur ALSTHOM; elle porte notamment sur la prise en compte de modifications géométriques, en particulier celles des aubes.
Le second domaine s'inscrit plus particulièrement dans l'examen de la fiabilité des
installations nucléaires, notamment par rapport aux phénomènes de corrosion qui touchent soit les réacteurs, soit les générateurs de vapeur.
Des éléments susceptibles de faire évoluer les méthodes de décapage des tubes gaines en
Zircaloy 4 du combustible nucléaire ont ainsi été proposés en collaboration avec le fabricant (ZIRCOTUBE-FRAMATOME). L'amélioration attendue est particulièrement dépendante du régime de circulation du fluide de décapage, l'accroissement de la turbulence étant un facteur
positif. Ce dernier point fait l'objet des développements envisagés.
3.3.2 - Thème : Dynamique des polyphasiques
Les études entreprises au Laboratoire sur ce thème concernent les écoulements diphasiques liquide/gaz en conduite et, sous un aspect plus fondamental, les phénomènes de coalescence et de
fractionnement.
La modélisation des écoulements liquide/gaz en conduite est adaptée aux propriétés
caractéristiques associées aux interfaces, elle intéresse plus particulièrement le Génie Pétrolier. La
configuration stratifée a été étudiée en conduite horizontale ou faiblement inclinée, de section
circulaire. Une modélisation isomorphe a été développée et calée sur les mesures globales (taux de remplissage, gradient de pression) et locales (profils de vitesse, frottement pariétal et interfacial).
Le modèle proposé a été testé pour différentes situations et on a obtenu des prédictions très
satisfaisantes pour les facteurs suivants:
- inclinaison de la conduite par rapport à l'horizontale et en particulier les pentes ascendantes, - viscosité de la phase liquide (de 1 à 15 cp),
- section de forme annulaire, avec excentrement vertical éventuel.
D'autre part, des essais industriels ont été réalisés en conduite annulaire avec une phase
liquide non-newtonienne, simulant les boues de forage; en fonction de l'excentrement, les
configurations diphasiques ont été identifiées pour différentes pentes et les grandeurs globales ont été mesurées en écoulement stratifié.
La configuration intermittente à bouchons de liquide (eau) et poches de gaz (air) a été
étudiée dans le but de caractériser les propriétés statistiques attachées à la vitesse et à la fréquence
des bouchons, ainsi qu'à la longueur des poches. Les analyses actuelles et en cours de
développement portent sur la prédiction des plus longues poches de gaz en vue de les identifier dès
leur arrivée, pour prévoir et améliorer le conditionnement de l'écoulement avant un équipement
diphasique.
Une autre action est maintenant engagée sur la déformation de l'interface à la traversée
d'une singularité du type rétrécissement ou élargissement brusque dans une conduite circulaire. Un
programme expérimental est en cours de préparation avec l'Institut des Hydrocarbures de
Boumerdes (Algérie).
Dans un écoulement à bulles, la modélisation des propriétés de transfert associées au
mélange dépend essentiellement de la connaissance de la taille des bulles et de son évolution. En
situation industrielle, pour traiter les populations de bulles, il est pratique de considérer une
granularité typique, résultant principalement des mécanismes de coalescence et de fractionnement.
La coalescence a été abordée de façon expérimentale dans le cadre simplifié d'une bulle
impactant une surface libre. Les observations ont montré que le temps de résidence d'une bulle est
très variable, de quelques millisecondes à plusieurs minutes, suivant les fluides étudiés et reste très sensible à la présence d'additifs ou impuretés jouant le rôle de surfactant. Une procédure de travail
a été définie conduisant à l'obtention de résultats reproductibles en maintenant les interfaces
propres. L'installation utilise un montage interférométrique pour deux types de mesures: le temps
de persistance de la bulle à la surface libre et l'épaisseur du film interstitiel. L'interprétation des résultats a permis d'établir de manière originale une loi de drainage du film et la possibilité de rebonds de la bulle a également été mise en évidence en présence d'un tensioactif (alcool) ou d'un électrolyte (KC1, NaC1). Avec le montage actuel, l'amincissement du film est enregistré en un seul point et les épaisseurs à la rupture qui sont mesurées sont mal expliquées. Une connaissance plus complète de la forme du film nécessite un montage approprié, avec des équipements nouveaux; ce
projet est en cours d'étude. La modélisation numérique de l'écoulement autour d'une bulle a été
développée parallèlement et de façon complémentaire. Le but est de fournir la géométrie du film interstitiel, fixant les conditions initiales du drainage. Le code de calcul est maintenant opérationnel pour des conditions stationnaires avec une bulle déformable isolée, il est en cours de mise au point
pour les aspects instationnaires. Les prochains développements concernent l'approche de deux
bulles (choc droit) et l'introduction des conditions limites liées à la présence d'une surface libre ou
de parois.
Le fractionnement d'une bulle peut être produit
par différents mécanismes. Avec unécoulement externe turbulent, les forces de pilonnement générées par le couplage des fluctuations de vitesse provoquent une déformation de la bulle pouvant causer son fractionnement. Suivant ce mécanisme, on met théoriquement en évidence un diamètre maximal, en-deçà duquel la bullegarde son intégrité. Des observations expérimentales montrent que cette approche est mise en défaut dans certaines situations. Dans une étape préalable, la déformation de la turbulence (turbulence de grille)
a été étudiée en soufflerie au voisinage d'une forme rigide sphérique. Les corrélations spatiales
transversales (responsables du fractionnement) et longitudinales ont été mesurées dans le cas où
l'obstacle a une taille supérieure à l'échelle intégrale. Les résultats correspondant montrent que
l'analyse théorique doit effectivement être revue. Des essais ont été entrepris avec des bulles d'air
injectées dans un écoulement d'eau, à l'aval d'une grille oscillante.
Les observations ont étéinterprétées en utilisant les résultats obtenus en soufflerie. L'analyse est menée de façon statistique pour estimer le diamètre maximal pour lequel toutes les bulles fractionnent. La corrélation obtenue
permet d'améliorer la prédiction établie avec la théorie de Hinze et Kolmogorov. La travail sera poursuivi en soufflerie pour compléter les mesures des corrélations spatiales et sur le montage
diphasique en faisant varier les paramètres.
En collaboration avec l'Equipe HTM de l'IUT de St Nazaire et en utilisant nos
compétences dans le domaine des écoulements diphasiques, en application aux Procédés, une nouvelle action s'engage sur la caractérisation de la granularité dans les réacteurs ou mélangeurs
