On étudie l'écoulement turbulent d'un fluide sur une canopée, que l'on modélise comme une surface poreuse déformable. La surface poreuse est en fait composée d'un tapis de fibres susceptibles de se courber sous la charge aérodynamique du fluide, et ainsi de créer un couplage fluide-structure à l'échelle d'une hauteur de fibre. L'objectif de la thèse est de développer un modèle macroscopique de l'interaction fluide-structure qui a lieu dans ce système, et de l'implémenter numériquement. Une approche numérique de simulation aux grandes échelles est implémentée pour capturer les grandes structures de l'écoulement et leur couplage avec les déformations du milieu poreux. Pour cela nous dérivons les équations régissant la grande échelle, au point de vue du fluide ainsi que de la phase solide. À cause du caractère non-local de la phase solide, une approche hybride est proposée. La phase fluide est décrite d'un point de vue Eulerien, tandis que la phase solide nécessite une représentation Lagrangienne. Le couplage entre les phases fluide et solide est réalisé dans un solveur écrit en C++, basé sur un solveur fluide disponible dans la toolbox OpenFOAM. Un préalable à la réalisation d'un tel modèle macroscopique est la connaissance des phénomènes de la petite échelle en vue des les modéliser. Deux axes sont explorés concernant ce domaine. Le premier axe consiste à étudier les effets de l'inertie sur la perte de charge en milieu poreux. Un paramètre géométrique est proposé pour caractériser la sensibilité d'une microstructure poreuse à l'inertie, et son efficacité est validée sur plusieurs géométries. Une lois asymptotique est ensuite proposée pour modéliser les effets de l'inertie sur la perte de charge à travers ces géométries. Le deuxième axe d'étude de la petite échelle consiste à étudier l'effet de l’interaction fluide-structure à l'échelle du pore sur la perte de charge en milieu poreux déformable. Pour cela deux codes aux frontières immergées sont proposés, permettant une validation croisée ainsi qu'un choix de la méthode la plus adaptée à note étude. Les difficultés numériques rencontrées au cours de l'étude, liées à la performance et à la stabilité du code, sont discutées. Cette approche par frontière immergée permet de montrer que l'interaction fluide-structure à l'échelle du pore a un effet considérable sur la perte de charge au niveau macroscopique. |
We study the turbulent flow of a Newtonian fluid over a canopy, that we model as a porous deformable layer. The porous layer is made of a carpet of fibers that can bend under the hydrodynamic load of the flow. The purpose of the project is to develop a macroscopique model in order to numerically implement it. We implement this model following a Euler-Lagrangian approach. A focus on the small scale yields to better understand the effect of inertia, and of the pore-scale fluid-structure interaction on the fluid-solid force at the large-scale. |