Contrôle des vibrations induites par vortex dans le sillage d'un cylindre monté sur ressort

Cette thèse concerne la simulation et le contrôle des vibrations de structures montées sur ressort et soumises à un écoulement fluide. La zone décollée fortement instable qui se développe dans le sillage de ces structures conduit généralement au lâcher périodique de tourbillons dans l’écoulement (allée de Bénard-von Kármán). La structure étant soumise à des efforts instationnaires, le lâcher tourbillonnaire et la structure peuvent entrer en résonance, un phénomène appelé vibrations induites par vortex (VIVs) et caractérisé par de fortes amplitudes de vibration.

Dans un contexte classique d'aérodynamique externe, les VIVs sont généralement synonyme de fatigue accélérée des matériaux et d'amoindrissement de la furtivité, l'objectif naturel du contrôle est donc d'atténuer voir de supprimer les VIVs. Pour les problèmes de production d'énergie auxquels nous nous intéressons ici, il peut être au contraire bénéfique d'amplifier les VIVs, l'idée sous-jacente étant que l'énergie dissipée par amortissement structurel peut être récupérée et transformée en une forme d'énergie utilisable. A titre d'exemple, le convertisseur VIVACE actuellement développé à U. Michigan vise à convertir l'énergie hydrocinétique en électricité en maximisant les amplitudes de vibration d'un réseau de cylindres déplaçant périodiquement des aimants dans une bobine.

La thèse repose sur un code numérique basé sur le noyau OpenFOAM, existant et développé au M2P2. Celui -ci permet pour l'instant de simuler l'interaction d'une structure mobile immergé en déplacement forcé, et devra donc être modifié par le/la candidat(e) afin de pouvoir simuler la dynamique d'un système fluide-structure entièrement couplé : un soin tout particulier sera apporté à la validation du solveur au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature. Dans un second temps, des lois de contrôle optimales basées sur les mécanismes d'instabilité linéaire du système couplé seront élaborées dans le cadre de la théorie du contrôle. 

Leur efficacité en regard des objectifs visés (favoriser les VIVs par modification de la fréquence de shedding, optimisation de la quantité d'énergie disponible) sera évaluée systématiquement. L'accent sera mis sur les techniques classiques dont l'aptitude à contrôler le vortex-shedding dans le sillage d'une structure fixe est aujourd'hui bien établie (soufflage-aspiration à la surface du la structure, dispositif passif positionné dans le sillage proche...). Des simulations de régimes turbulents seront également réalisées grâce à l'implémentation de lois de paroi, ce qui permettra de caractériser l'efficacité et la robustesse des lois optimales dans des gammes de nombre de Reynolds d'intérêt pratique.