Soutenance de thèse de Jérémie LABASSE

Dans le contexte de la modélisation de la propulsion bio-inspirée, le tangage et le pilonnement sont souvent considérés comme des archétypes des mouvements observés et un des objectifs des recherches dans ce domaine est d'établir des lois de propulsion, ce travail de thèse s'insérant dans cette thématique. Dans cet objectif, tout d'abord une plaque d'épaisseur négligeable en mouvement de tangage dans un écoulement uniforme est considérée. Ce système fluide-structure est abordé numériquement utilisant l'environnement numérique OpenFOAM. Cette boîte à outils permet de gérer le mouvement de la plaque, le déplacement du maillage associé étant obtenu comme solution d'une équation de Laplace avec une variable de diffusivité. Les résultats des simulations numériques et notamment les efforts générés par l'interaction fluide-structure sont validés par comparaison avec des données existantes, pour un nombre de Reynolds de 2000 et en faisant varier les paramètres du tangage. Une loi de propulsion est proposée et confrontée à des lois existantes dans la littérature. Dans un deuxième temps un objet profilé (un profil NACA0018) en mouvement de pilonnement simple puis en mouvement couplé tangage-pilonnement est étudié. Pour ces mouvements à grandes amplitudes une superposition de maillage est utilisée lors de la résolution numérique, cette approche étant connue sous le nom de la méthode Chimera. À partir des données des simulations, pour un nombre de Reynolds de 5 10^4 et pour une grande gamme de paramètres, des lois de propulsions sont proposées pour le pilonnement simple ainsi que pour le couplage tangage-pilonnement. Enfin un dispositif de propulsion cycloïdale développé par l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale (IRENav) consistant en trois pales en mouvement de rotation-tangage est abordé numériquement, pour des gammes de paramètres identiques aux expériences, mettant en oeuvre la méthode de superposition de maillage pour les trois objets en mouvement. Les simulations des efforts générés dans cette configuration s'avèrent très proches des données expérimentales obtenues à l'IRENav. Aussi, il est montré que la loi proposée pour des mouvements de tangage-pilonnement reste pertinente pour prédire les efforts développés par le dispositif.

Pitching and heaving are generally considered as archetype motions in the context of bio-inspired propulsion modeling, an important research objectif in this field being to establish propulsion laws, which is the general topic of this thesis work. For this purpose, first a plate of negligible thickness undergoing pitching motions in a uniform flow is considered. This fluid-structure system is numerically handled using the OpenFOAM environment. This numerical toolbox is capable of managing the motion of the plate, the displacement of the discretization mesh being obtained as solution of a Laplace equation with a diffusivity coefficient. The numerical simulation results and in particular the forces generated by the fluid-structure interaction are validated by comparison with existing data, for a Reynolds number of 2000 and by varying the pitching parameters. A propulsion law is proposed and compared with scalings available in the literature. In a second step, a foil (a NACA0018 profile) in a simple heaving motion, and subsequently in a combined pitching-heaving motion, is investigated. Large amplitudes of the foil's movement are considered and a mesh superposition technique is used during the numerical resolution procedure, this approach being known as the Chimera method. Performing an exhaustive analysis of the large amount of simulation data, for a Reynolds number of 5 10^4 and for a wide range of parameters, propulsion laws are proposed for simple heaving as well as for pitching-heaving. At last, a cycloidal propulsion device developed by the Naval Academy Research Institute (IRENav) consisting of three blades in rotating-pitching motion is considered, by implementing a numerical simulation scheme based on the mesh superposition technique for the three moving objects. The numerical predictions of the forces generated in this configuration, for parameters in the range of the experimental data available at IRENav, are shown to be close to the experimental measurements. Also, it is shown that the proposed academic law for pitching-heaving motions is still relevant in this cycloidal propulsion context to predict the forces developed by the device.