Hydrodynamique et Écoulements Environnementaux – HydÉE

Interactions fluide-structures

Cette activité porte sur l’étude des écoulements instationnaires autour de profils ou autres solides flexibles, abordée sous formes fondamentales et appliquées. L’étude des interactions entre solides et fluides permet de comprendre l’optimisation du mouvement comme sur les ailes battantes ou la propulsion pour les nageurs ou encore l’utilisation de la déformation des matériaux pour améliorer la propulsion, augmenter la récupération d’énergie ou l’absorption des ondes et courants.

Interaction fluide-structure autour de profil portant (L. Chatellier, L. Thomas, L. David, B. Tremblais)

Doctorants : H. Bonnard (2019-), G. Acher (2015-2019)

Post-docs : F. Salmon (2020-2022), H. Laeuffer(2018-2020)

Dans le projet HOMER (Horizon 2020) et pour les dispositifs de récupération d’énergie, on étudie des profils déformables dans des écoulements turbulents pour ensuite les soumettre à des forçages cycliques de différentes formes. Ces couplages entre la déformation du profil et les mouvements permettent de maintenir une forte portance tout en réduisant la traînée de plus de 20%. Un protocole de simulation numérique des interactions fluide-structure a été mis en place dans les post-docs de H. Laeuffer et F. Salmon. Ce projet fait également l’objet d’une collaboration avec les équipes de Pprime spécialisées dans les matériaux innovants (ENDO) et la photomécanique (PEM), afin de qualifier et prédire le comportement des matériaux destinés à être soumis aux interactions fluide-structure. Dans l’ANR Dyneol, la déformation des pales lors de la rotation est aussi étudiée expérimentalement et confrontée à un code de calcul Yales développé par le CORIA et le LEGI prenant en compte ces phénomènes.

Références

Acher G., Braud P., Chatellier L., Thomas L., David L., 2021,. Fluid structure interactions of a pitching wing at high angle of attack. 14th International Symposium on Particle Image Velocimetry-ISPIV21, Chicago, US, August 1-4.

Amortissement par des structures flexibles (G. Pineau, D. Chatellier, D. Calluaud, L. David)
Doctorants : T. Larrieu (2018-2022)

La flexibilité des structures est utilisée dans les problèmes d’éco-hydraulique et de transport fluvial pour atténuer l’énergie cinétique dans les canaux ou les passes à poisson et pour réduire l’impact des ondes de batillage sur les berges. Dans le cadre de la thèse de T. Larrieu (2021), ce travail a consisté à étudier d’un point de vue analytique, expérimental et numérique la capacité d’atténuation de réseaux de cylindres flexibles. Ce travail se poursuit aujourd’hui par une nouvelle thèse qui débutera en 2024.

Fig: Faisceau de cylindres flexibles dans un écoulement.

Références

Larrieu T., Cassan L., Moulin F., Bernard A., David L., Pineau G., Calluaud.D., 2022. Modélisation des pertes de charges de faisceau de structures flexibles place dans un écoulement turbulent a surface libre. 18^ème Journées Hydrodynamiques, 22-24 novembre Poitiers.

Etude de plancher filtrant (M. Ba, L. David)

Doctorants : C. Vitteau (2020-2023)

Ingénieure : C. Blet (2020-2022)

Une collaboration industrielle a été développée avec la société Aqseptence et l’équipe ENDO pour étudier les chargements hydrodynamiques de filtre gravitaire lors des différentes phases de fonctionnement. Ce travail expérimental et numérique nécessite une étude mono puis diphasique des écoulements. Les approches sont numériques et expérimentales et cherchent à valider la méthodologie pour définir ensuite un nouveau produit. Ce projet est financé par le FEDER Grinfil (2019-2023).

Références

Larrieu T., Cassan L., Moulin F., Bernard A., David L., Pineau G., Calluaud.D., 2022. Modélisation des pertes de charges de faisceau de structures flexibles place dans un écoulement turbulent a surface libre. 18ème Journées Hydrodynamiques, 22-24 novembre Poitiers.

Etude de plancher filtrant (M. Ba, L. David)
Doctorants : C. Vitteau (2020-2023)

Ingénieure : C. Blet (2020-2022)

Une collaboration industrielle a été développée avec la société Aqseptence et l’équipe ENDO pour étudier les chargements hydrodynamiques de filtre gravitaire lors des différentes phases de fonctionnement. Ce travail expérimental et numérique nécessite une étude mono puis diphasique des écoulements. Les approches sont numériques et expérimentales et cherchent à valider la méthodologie pour définir ensuite un nouveau produit. Ce projet est financé par le FEDER Grinfil (2019-2023).

Références

Bouard F., Jardin T., David L., 2023,. Aerodynamics of flapping wings with passive and active deformation ERCOFTAC Symposium on « Multiphysics critical flow dynamics involving moving/ deformable structures with design applications », Toulouse, France, 7-8-9 June 2023

Diaz-Arriba D., Jardin T., Gourdain N., Pons F., David L. 2022 : Experiments and numerical simulations on hovering three-dimensional flexible flapping wings. Bioinspiration & Biomimetics, Volume 17, Number 6, 065006 https://doi.org/10.1088/1748-3190/ac8f06

Diaz-Arriba D., Jardin T., Gourdain N., Pons F., David L. 2021 : Numerical investigation of three-dimensional asymmetric hovering flapping flight. Physics of Fluid s, 33, 111907 12p, https://doi.org/10.1063/5.0069840

Actions sur un bras de nageur (M. Samson, T. Monet, L. David, A. Bernard)
Doctorants : R. Guignabel (2022-), M. Samson (2013-2016)

Avec l’équipe ROBIOSS de Pprime, une action a été entreprise sur la natation dans le cadre de la thèse de M. Samson (2016). Des mesures sur différents nageurs de niveau national ont permis d’extraire la cinématique du mouvement des bras lors de la nage du crawl et d’identifier les mouvements les plus efficaces en terme de propulsion. Des mesures de force et de vitesse par PIV ont été réalisées dans le bassin des carènes pour valider des simulations URANS faites pour le cycle complet de mouvement de l’avant-bras du nageur. Cette action se poursuit au travers d’une ACI Pprime (2019-2020) sur des mesures autour d’un bras motorisé de nageur et d’une action sur la performance des nageurs dans le cadre d’un PIA « Sport de très haute performance » appelée D-Day (2020-2024) pour la préparation des JO de Paris 2024. Dans le cadre de la thèse de R. Guignabel, des mesures de vitesses et de forces sont menées autour d’un bas robotisé pour être confrontées à des simulations numériques afin d’évaluer l’influence des paramètres de vitesse, d’accélération et d’orientation des segments.

Références

Guignabel R., Eon A., Decatoire A., Monnet T., David L. and Samson M. 2023: Parametric study of propulsive forces in front crawl swimming – acceleration effect and flow behavior. XIVth International Symposium Biomechanics and Medicine in Swimming. September, 6th – 9th 2023 Leipzig, GermanySamson M., Monnet T., Bernard A., Lacouture P., David L., 2018: Analysis of a swimmer’s hand and forearm in unsteady flow conditions using computational fluid dynamics. Journal of Biomechanics, 67, 157–165.
Samson M., Monnet T., Bernard A., Lacouture P., David L., 2019: Comparative study between fully tethered and real swimming at different paces of swimming, in front crawl. Sport Biomechanics, Volume 18, – Issue 6, Pages 571-586.

Ecohydraulique

Ecohydraulique (D. Calluaud, L. Chatellier, L. David, G. Pineau, G. Gomit, N. Razaaly, R. Ouchène, S. Jarny)

Doctorants : G. Bon (2022-), AF. Lejeune (2020-2023), F. Lemkecher (2017-2020)

Ingénieurs : F. Gibouin (2023), Y. Devaux (2022), C. Caplier (2021), M. Dewitte (2019)

Cette activité porte sur la restauration de la continuité écologique des cours d’eau. Elle se concentre sur la définition de solutions afin de limiter les impacts des ouvrages (seuils et usines hydroélectriques) sur le déplacement et la survie des poissons. Elle est en partenariat avec l’Office Français de la Biodiversité (OFB) et les gestionnaires d’ouvrages ou exploitant (VNF, France-HYDRO et EDF). Cette activité s’appuie sur un programme Européen H2020 FITHYDRO et très récemment sur une collaboration via un accord cadre de Pôle R&D d’écohydraulique entre l’OFB, l’IMFT et Pprime. Son principal objectif est l’amélioration des dispositifs de montaison et de dévalaison au droit des ouvrages en étudiant la turbulence et en proposant des modélisations simplifiées des ouvrages comme outils d’aide à la décision.

Pour la partie dévalaison, les études concernent le développement d’un modèle numérique sous OPENFOAM permettant de remplacer des grilles de prise d’eau par des objets poreux plus simples pour la modélisation 3D des centrales. Des mesures en laboratoire et de terrain ont permis de valider des formes de barreaux introduisant peu de pertes de charges. Une modélisation empirique a été proposée pour la modélisation des pertes de charges tenant compte de différents paramètres comme la forme des barreaux (Thèse de F. Lemkecher – 2020). Des études sur les effets de colmatage et d’optimisation de forme de barreaux sur les prises d’eau des centrales hydroélectriques sont actuellement réalisées dans le cadre de la thèse de G. Bon en partenariat avec France-Hydro et le laboratoire Siame de l’UPPA.

Pour la montaison, des améliorations de la franchissabilité des passes à poissons à simple ou double fentes verticales ont été étudiées afin d’en améliorer les conditions hydrodynamiques dans le cadre des thèses d’A.F. Lejeune (2023) et d’A. Ballu (2017). Les effets de la géométrie des passes, des conditions hydrodynamiques amont, les influences de l’ajout d’éléments tels que des seuils et des rugosités de fond ont été analysés à partir de données expérimentales en laboratoire, de simulations numériques et mesures de terrains.

Références

• Lemkecher, F., Chatellier, L., Courret, D., David, L., 2020. Contribution of different elements of inclined trash racks to head losses modelling, Water 12(966), 2020, doi:10.3390/w12040966
• Ballu, A., Pineau, G., Calluaud, D., and David, L. 2019. Experimental-Based Methodology to Improve the Design of Vertical Slot Fishways, Journal of Hydraulic Engineering 145. 2019, doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001621
• Ballu, A., Calluaud, D., Pineau, G., and David, L., 2017. Experimental study of the influence of macro-roughnesses on Vertical Slot Fishway flow,La Houille Blanche, n° 2, p. 9-14., doi:10.1051/lhb/2017011

Navigation fluviale<br>

Ondes de batillage (D. Calluaud, G. Pineau, G. Gomit, M. Ba)

Doctorants : C. Maubant (2024-), P. Nieutin-Redon (2021-)

Les sillages de navires générés dans des eaux restreintes sont soumis à des processus dynamiques complexes, tels que l’évolution non linéaire des vagues et les interactions vagues-vagues et vagues-courants, ainsi que la rétroaction avec l’environnement. L’identification de l’hydrodynamique et de l’interaction du flux généré avec les sédiments est importante pour la gestion des voies navigables, y compris la planification du trafic, les problèmes liés à la navigation dans les eaux très fréquentées, la protection des berges et la continuité des sédiments dans la rivière (au sens de la directive cadre européenne sur l’eau). Les objectifs de cette action sont d’analyser et de caractériser ces phénomènes hydrodynamiques en fonction des propriétés des navires et des conditions hydrauliques (morphologie de la rivière avec des berges en pente douce, abruptes, en banquette) à l’aide d’essais en bassin de traction, de simulations numériques et de retours d’expérience avec les partenaires usagers et gestionnaires des voies navigables (Grand Port Maritime de Bordeaux, EPTB Sâone et Doubs, VNF, CEREMA). L’objectif est d’établir des modèles prédictifs de l’impact des vagues et des courants sur l’environnement en fonction des configurations de la voie d’eau en partenariat avec l’UTC. Cette recherche est financée en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet INFLUE (Impact de la Navigation FLUviale sur l’Environnement) ANR-23-CE51-0032-01 et par la région Nouvelle Aquitaine au titre du projet NAIADE (NAvigation fluviale – ImpActs sur les berges des onDes de batillage et des Ecoulements générés) AAPR2021-2020-12002110.

Références

Caplier C., Gomit G., Rousseaux G., Calluaud D., Chatellier L., David L. 2019. Calibrating and measuring wakes and drag forces of inland vessels in confined water in a towing tank. Ocean Engineering, Volume 186, Article 106134. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2019.106134
Caplier C., Rousseaux G., Calluaud D., David L. 2019 Effects of finite water depth and lateral confinement on ships wakes and drag, Journal of Hydrodynamics. 1-8. DOI: 10.1007/s42241-019-0054-9
Caplier C., Rousseaux G., Calluaud D., David L., Dambrine J., 2016, Energy distribution in ship wakes from a spectral analysis of the wave field: the deep and shallow water cases. Physics of Fluids, vol.28 – 107104. DOI: 10.1063/1.4964923
Gomit G., Rousseaux G., Chatellier L., Calluaud D., David L. 2014. Spectral analysis of ship waves in deep water from accurate measurements of the free surface elevation by optical methods, Physics of Fluids, vol.26 – 122101. DOI: 10.1063/1.4902415