%A Benjamin Bouscasse
%T Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones din?micas entre s?lidos y l?quidos viscosos con superficie libre
%X En esta tesis se investiga la interacci?n entre un fluido viscoso y un cuerpo s?lido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa te?ricamente poniendo especial atenci?n a los aspectos de conservaci?n de energ?a y de la interacci?n del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monof?sico, y un desarrollo matem?tico permite una descomposici?n de los t?rminos disipativos en t?rminos relacionados con la superficie libre y t?rminos relacionados con la enstrof?a. El modelo num?rico utilizado en la tesis se basa en el m?todo sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera an?loga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservaci?n se estudian en la tesis con el sistema discreto de part?culas. Se tratan tambi?n las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el m?todo ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo expl?cito de interacci?n fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipaci?n de energ?a y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuaci?n de una onda estacionaria, comparando la simulaci?n num?rica con predicciones te?ricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipaci?n de energ?a para flujos m?s violentos que implican la fragmentaci?n de la superficie libre. La cantidad de energ?a disipada con los diferentes t?rminos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo num?rico. Se han realizado otras pruebas num?ricas para verificar la t?cnica de modelizaci?n de la interacci?n fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo num?rico ha sido validado, se han realizado simulaciones num?ricas para obtener una comprensi?n m?s completa de la f?sica implicada en casos (casi) realistas sobre los hab?a aspectos que no se conoc?an suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un n?mero de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y n?meros de Froude. La soluci?n num?rica permite una investigaci?n de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interact?a con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades caracter?sticas. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como num?ricamente. El an?lisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilaci?n horizontal, pero se ha estudiado un gran n?mero de condiciones, lo que lleva a una comprensi?n bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La ?ltima parte de la tesis trata tambi?n sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque est? oscilando con rotaci?n y hay acoplamiento con un sistema mec?nico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con l?quido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguaci?n de las estructuras civiles. El an?lisis se ha realizado anal?ticamente, num?ricamente y experimentalmente utilizando l?quidos con viscosidades diferentes, centr?ndose en caracter?sticas no lineales y mecanismos de disipaci?n. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.
%D 2015
%I Aeronauticos
%L upm38068