Thèses - Structures, fluides & interactions

Thèse soutenue en 2020 par Pierre LEGRAND (Cifre NECS)

Résumé : Dans le cadre du calcul numérique d’une structure de génie civil soumise à une explosion, une grande précision dans la modélisation implique un temps de calcul très important et donc une mauvaise réactivité. Ces travaux de thèse se sont donc focalisés sur l’établissement de méthodes de calcul permettant d’améliorer la précision et/ou la rapidité du calcul numérique. Dans un premier temps, la précision des méthodes actuelles est évaluée grâce à une campagne d’essais au tube à choc. La simulation numérique permet de reproduire fidèlement les déplacements et pressions observés. Sur cette base, la détonation est remplacée par la détente d’un gaz à haute pression. Cette méthode permet de diminuer les gradients de pression aux premiers instants de l’explosion et ainsi augmenter la précision loin de la charge. Une seconde modélisation, sans prise en compte de l’interaction fluide structure a également été évaluée. Ces deux nouveaux modèles numériques ont fait l’objet d’études paramétriques permettant de déterminer la perte éventuelle de précision et les grandeurs physiques prépondérantes dans l’estimation de cet écart vis-à-vis de la référence choisie.

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Thèse soutenue en 2020 par Yumna QURESHI (avec HEC, Campus France)

Thèse soutenue en 2020 par Corado NINGRE (avec Univ. Alpes Grenoble).

Résumé : Ce travail concerne l’étude théorique, numérique et expérimentale du comportement mécanique élastoplastique en chargements cycliques complexes multiaxiaux de matériaux métalliques. Le comportement élastoplastique est décrit par modèle multisurface, avec une prise en compte des grandes transformations. Ce modèle est écrit dans l’espace multidimensionnel d’Ilyushin des déformations, de dimension 5. La modélisation qui en résulte permet de décrire le comportement multiaxial des matériaux métalliques, en chargements cycliques complexes, notamment non proportionnels, avec une prise en compte des déformations finies, de l’irréversibilité indépendante du temps, des effets secondaires cumulés (effet Poynting-Swift) et des effets d’écrouissage cyclique. Le modèle ainsi développé a été implémenté dans un code commercial de calcul par éléments finis, afin de produire un outil opérationnel de calcul des structures telles que les équipements mécaniques et les composants internes des centrales hydroélectriques (turbines, alternateur…). Le modèle proposé a été validé par confrontation à des résultats d’essais biaxiaux de traction-torsion combinées, réalisés sur un acier inoxydable. Ce modèle a été complété par une analyse énergétique et thermodynamique qui permet la mise en place, à terme, d’une approche énergétique pertinente pour le suivi de l’endommagement par fatigue. Dans le cadre de ce travail, cette approche a été illustrée par la proposition d’un critère de fatigue, validé par la comparaison de ses prédictions à celles d’autres critères de fatigue classiques, proposés dans la littérature.

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Thèse soutenue en 2019 par Antoine MORVAN (contrat ADEME ; avec CNIM) 

Résumé : L’objectif de ces travaux de thèse de doctorat est de développer des modèles simplifiés d’impact hydrodynamique sur le pont mouillé d’un SWATH pour la maintenance des éoliennes offshore. La connaissance des chargements hydrodynamiques auxquels est soumis le pont mouillé est une étape primordiale lors de la conception de l’étrave du navire. Pour réaliser cette étude nous avons choisi une géométrie bidimensionnelle parabolique symbolisant le pont mouillé et une houle d’Airy régulière pour la surface libre. Les modèles développés reposent sur le modèle de Wagner qui permet d’obtenir des résultats pertinents pour un faible temps de calcul. Deux types de modèles d’impact ont été développés. Des modèles dits asymptotiques car ils reposent sur un développement de Taylor du profil de houle et des modèles non-asymptotiques car ils conservent la forme complète de la houle. Les distributions de pression sur le profil parabolique sont majoritairement calculées au moyen du formalisme Modified Logvinovich Model (MLM). Les résultats en termes de corrections de surface mouillée, de champs de pression et d’efforts hydrodynamiques sont comparés entre les deux types de modèles en fonction du rayon de courbure de la houle. Nous déterminons aussi quel est la configuration d’impact qui engendre les chargements hydrodynamiques dimensionnants en se basant sur des configurations de référence. Pour les modèles non-asymptotiques, la contribution de l’amplitude et de la vitesse de phase de la houle au sein des efforts hydrodynamiques est analysée. Pour les modèles asymptotiques, nous avons réalisé l’étude des variations spatiales et temporelles des champs de pression calculés avec l’équation de Bernoulli linéarisée. Nous avons aussi comparée les résultats du formalisme composite (COMP) au formalisme MLM et leurs conséquences sur les efforts hydrodynamiques d’impact. Enfin, dans le but d’avoir une base de comparaison pour ces modèles d’impact sur houle d’Airy régulière, nous avons implémenté des modèles numériques d’impact au moyen du logiciel commercial ABAQUS/CAE. Ces modèles reposent sur un couplage CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian) et ont montré une bonne correspondance avec les résultats des modèles non-asymptotiques en termes d’écarts relatifs. Au sein d’un bureau d’étude, l’intégralité de ces résultats peut constituer une aide au dimensionnement du pont mouillé d’un navire SWATH.

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Thèse soutenue en 2019 par Julien ERCOLANELLI (CIFRE GEPS Techno ; avec Ifremer) 

Résumé : Le développement de Geps Techno est basé sur un concept innovant de structure flottante destinée à produire de l'énergie électrique à partir de plusieurs sources d'énergies marines renouvelables dont la source houlomotrice. Le système houlomoteur développé par Geps Techno repose sur la mise en circulation d'eau et la création d'un tourbillon en son sein. En profitant du phénomène de carène liquide, le concept est également déclinable en un système de stabilisation de navire ou de toute autre plateforme flottante. L'objectif à court terme de la société est le développement de cette technologie permettant la stabilisation et la récupération de l'énergie des vagues et pour lequel il reste des verrous technologiques à lever afin d'arriver à la viabilité et la rentabilité du système. Pour cela, Geps Techno a lancé en octobre 2015 le projet IHES (Integrated Harvesting Energy System) qui consiste à construire un démonstrateur de son concept de plateforme houlomotrice. Le projet IHES est un des projets de la feuille de route du plan "Navires écologiques" de la Nouvelle France Industrielle. Il est soutenu par Bpifrance dans le cadre du programme d'Investissements d'Avenir - Projets Industriels d'Avenir. Afin de maîtriser les objectifs de stabilisation et de récupération d'énergie, Geps Techno étudie les volets technologiques nécessaires permettant de passer de l'énergie disponible au niveau des vagues jusqu'à celle disponible au niveau de la turbine du houlomoteur. Les travaux de thèse soutenus par Fourestier en mai 2017 portaient sur un premier volet "Définition et contrôle des écoulements internes au système houlomoteur". A l'aide d'une modélisation des fluides numériques, ces derniers ont abouti à des modèles opérationnels caractérisant les écoulements internes. La présente thèse Cifre s'inscrit dans la continuité des travaux de Fourestier et traite d'un second volet "Modélisation du système couplé plateforme / houlomoteur". L'ensemble de ces travaux devra aboutir à un code de calcul opérationnel et corrélé à des résultats expérimentaux permettant d'étudier l'écoulement interne et le comportement du flotteur soumis à la houle.

Thèse soutenue en 2019 par Gonzalo DOISENBAT (contrat région Bretagne, Ifremer)

Résumé : Afin d’étudier le comportement dynamique complexe des éoliennes flottantes, l’Ifremer a développé une soufflerie associée au bassin de son Centre de Bretagne en vue de les soumettre à échelle réduite aux actions combinées des vagues et du vent.
Nos premières expériences consistent en la caractérisation du vent produit, notamment par rapport aux modèles spectraux de vent turbulent déjà connus, afin de mieux maîtriser la génération de vent
en bassin. Les modèles spectraux de vent permettent de produire numériquement des champs de vitesse de vent à partir des mesures expérimentales. Ensuite, nous faisons des essais en bassin d’une
maquette d’éolienne à échelle 1:50. Elle est une turbine à axe horizontal installée sur un support flottant. Une analyse détaillée des protocoles expérimentaux est menée. En plus du mouvement du
flotteur, nous mesurons la poussée et le couple sur le rotor. Nous faisons des comparaisons des mesures expérimentales avec les estimations théoriques de la méthode BEM.
Notre travail décrit toutes les instances de la simulation numérique : la simulation du vent, la simulation du profil aérodynamique, et la simulation aérodynamique du rotor de l’éolienne.
Les résultats des expériences en bassin et ceux des simulations numériques sont comparés entre eux.
L’analyse de ces résultats nous conduit à la formulation de conclusions, notamment sur la génération de vent par la soufflerie, la création numérique de champs de vitesse de vent, l’évaluation des efforts aérodynamiques par la méthode des quantités de mouvements appliquées au rotor, l’influence du nombre de Reynolds sur la performance du rotor, et l’importance de la précision des mesures expérimentales.
Notre recherche confirme que les tests expérimentaux d’éoliennes flottantes sont un grand atout pour la validation des simulations numériques.
Travailler à des échelles réduites nécessite des compétences de modélisation circonspecte et une bonne connaissance des effets de réduction d'échelle. Le travail met en relief la faisabilité de la simulation numérique et expérimentale des éoliennes flottantes à axe horizontal au début de la phase de conception.

Thèse soutenue en 2019 par Mourad NACHTANE (bourse Eiffel ; avec l’université marocaine Hassan II de Casablanca)

Résumé : Les énergies marines renouvelables (EMR) apparaissent aujourd’hui comme une formidable opportunité et un véritable choix écologique et industriel pour répondre à la demande croissante de l’énergie et pour lutter contre le réchauffement climatique. Au cours de cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types qui s’appelle l’énergie hydrolienne qui présente un immense potentiel dans le bouquet énergétique mondial. une nouvelle forme de pale d’une hydrolienne à axe horizontale a été développé par l’optimisation d’un hydrofoil existant en utilisant la méthode BEM (Blade Element Momentum) afin d’améliorer ses performances hydrodynamiques. La deuxième partie a été consacrée à étudier les performances mécaniques des matériaux composites comme composants structurels des pales d’hydrolienne et de la tuyère. Ces structures sont sujettes à de nombreux types de chargements, tels que les impacts de corps externes, la fatigue due à la variation des courants, mais également à diverses agressions liées à l’environnement marin telles que la variation de la température et l’humidité qui peuvent induire du vieillissement et de la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement à long terme de ces parties mobiles est donc essentielle afin de doter les bureaux d’études, confrontés au dimensionnement des structures d’énergies marines, d’outils leur permettant de faire le choix des matériaux (couplefibre/matrice), architectures fibreuses (nappe, tissus), séquence d’empilement des stratifiées minimisant la sensibilité aux chargements appliqués des structures travaillantes. L’objectif final de cette thèse est le développement d’outils et de méthodologies tant numériques qu’expérimentales capables de simuler l’impact du courant et du comportement de ces systèmes de façon couplée ce qui constitue un enjeu majeur de dimensionnement. En effet le but est d’identifier les voies d’optimisation qui permettront d’aller sur la phase commerciale avec un gain de LCOE (Levelized Cost of Energy) substantiel.

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Thèse soutenue en 2019 par Mohamed Chams Eddine EZZINE (contrat PROFAS B+ ; avec l’université algérienne Djillali Liabès).

 Thèse soutenue en 2019 par Youssouf BELABED (avec l’université algérienne Aboubakr Belkaïd)

 Thèse soutenue en 2019 par Quentin RAIMBAUD (bourse DGA)