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Résumé Une méthode de Wagner généralisée pour l'étude de l'impat de setions de formes ar- bitraires est présentée

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

setions de formes arbitraires.

A generalized Wagner model : appliation to

arbitrary setions.

N. Malleron

Y.-M. Solan

B. Cohelin

A. de Gélas

∗∗

Eole Centrale Marseille, 13451Marseille edex 20,Frane,solane-marseille.fr.

LMA, 31hemin Joseph-Aiguier, 13402 Marseilleedex 20,Frane.

∗∗

Euroopter, AéroportMarseille-Provene, 13700 Marignane, Frane.

Résumé

Une méthode de Wagner généralisée pour l'étude de l'impat de setions de formes ar-

bitraires est présentée. Cette méthode permet de s'aranhir de l'hypothèse de faible

angle mort sur laquelle reposent lassiquement les méthodes de Wagner linéarisées. Son

domaine d'appliation s'étend à des formes asymétriques. Cela est rendu possible par la

transformation systématique du problème en elui d'un éoulement autour d'une plaque

plane horizontale, tout en tenant ompte de la géométrie exate de la surfae mouillée.

Lathéorie des problèmesde Riemann-Hilbert est alorsutiliséepourrésoudre leproblème

transformé. Ce modèle est testé ii dans des as symétriques. Les résultats qu'il fournit

sont omparés à d'autres résultats numériqueset expérimentaux.

Abstrat

AgeneralizedWagnermethodforstudyingwaterimpatofarbitrarysetionsispresented.

Thismethoddoesnotrequirethedeadriseangletobesmall,unlikethelassiallinearized

Wagnermodel.Itanbeappliedtoasymmetrisetionsbyusingonformalmapping.The

problemis systematiallytransformedintoanhorizontalat plateproblembut take into

aount the exat geometryof the wetting surfae.The owaround the at plateisthen

alulated by usingthe theory ofRiemann-Hilbertproblems. The modelis testedagainst

(2)

Depuis les premiers travaux de Wagner [14℄, les modèles permettant de traiter le

problème de l'impatd'un orps solide sur la surfae d'un uide ont onnu des dévelop-

pements onstants. L'approhe la plus ouramment utilisée pour résoudre e problème

est elle proposée par Wagner [14℄. Elleonsiste àfaire l'hypothèseque l'anglemort (i.e.

l'angle entre la setion et la surfae libre au repos) est faible,e qui onduit à linéariser

la surfae mouillée.Dès lors que l'on s'aranhit de l'hypothèse de faible angle mort, on

doit prendre en omptelapositiongéométrique exatede lasurfae mouillée.L'approhe

de Zhao et Faltinsen [15℄,[17℄,[16℄ ou Battistin et Iafrati [1℄ qui repose sur l'utilisation

d'une méthode d'éléments nis de frontière, s'insrit dans e adre. Cette approhe per-

met de prendre en ompte touteslesnon-linéarités,y ompriselles de surfae libremais

représenteunoûtinformatiqueimportant.Pouruneutilisationstandarddansl'industrie,

des modèlesmoins oûteuxdoivent être développés. Uneapprohe intermédiaireest elle

proposée par Mei et al [10℄, quiproposentun modèle de Wagner généralisé. Leproblème

est formulésous formed'unproblème aux limitesen théoriepotentielle, en négligeantles

eets de gravité ainsi que les eets de tension superielle.Dans e modèle, laondition

d'imperméabilité est imposée sur la surfae mouillée exate. L'originalité de e modèle

provient du fait que la ondition dynamique de surfae libre, réduite à une ondition de

Dirihlet homogène pour le potentiel des vitesse, est imposée sur une ligne horizontale,

émanantdupointdeontat.Larésolutionest alorsbaséesurl'intégrationentempsdela

ondition inématiquede surfaelibre ériteauxpointsde ontat.Lejet quisedévelope

lors de l'impatn'est pas pris en omptedans e modèle. Sur la base de es travaux, on

onsidère ii l'impat de setions de formes arbitraires. En setion 2, on présente la mé-

thodologiedelasolution,étendueauas deorps asymétriques.On montre en partiulier

quelemodèleexposérespeteuneloide onservationde lamasse.Ensetion3,onexpose

les résultatsobtenus par e modèledans des ongurations symétriques.Les résultatsen

terme dedistributionde pressionetde foresontprésentés. On s'intéressetout d'abord à

des orpsdeformes lassiques(oins,ylindre),puis àdes formesplus originales(ylindre

non-irulaire,arène).

2 Méthodologie de la solution

2.1 Transformation du domaine de alul

Le domaine uide est borné par la surfae mouillée du orps et deux lignes horizon-

tales, issues des deux points de ontats. Si le orps est asymétrique, es deux lignes ne

sont pasau mêmeniveau (f.g. 1-a). Pour éliminerlepas qui résultede ette dénivella-

tion, onutilise unetransformationde Shwarz-Christoel(SC). Cettetransformationfait

orrespondre auplan physique Z = x + iy le plan ζ = p + iq. Du fait de laondition

de Dirihlet homogène sur l'axe des réels (onfondu ave l'image par SC de la surfae

libre linéarisée), le orps est prolongé dans le demi-plan supérieur par le symétrique de

sa partieimmergée par rapport àl'axedes réels. Le orpsqui résultede e prolongement

reevra dans toute la suite ladénominationde "doubleorps".

Latransformationonformequitransformelafrontièredudouble-orpsen unerleunité

est notée κ telle que ζ = κ(T). Le ontour du orps est alors dérit par T = e ave θ ∈ [−π; π]. A e stade des transformations, on peut dénir une paramétrisation du

(3)

x(θ) =

X

n=1

Ancos(n θ), θ ∈ [−π;π]. (1)

A noter que pour y, il faut tenir ompte du saut lié à la dénivellation (transformée de Fourier d'une fontion disontinue).

Enn, l'éoulement autourdu erle unité est transforméen un éoulementautour d'une

plaqueplanehorizontaleparlatransformationdeJoukowskiquiàT assoieW = u+iv : W = 1

2

T + 1 T

. (2)

La transformationdéniepar lafontionκ doitêtre expliitée.Laformedu doubleorps

obtenu dans le plan ζ va inuer sur la manière de proéder pour réaliser ette transfor-

mation. Néanmoins, lastratégie àemployersera toujours de la formesuivante:

1. éliminationdes oins.

2. transformationintermédiairepour rendre ladernière étapelaplus eae possible.

3. transformation en un erleunité.

x1 x2

x y

H

(x )2 η(x )1 η

ζ1 ζ2

T w

ζ3

z

KT

SC

TG

FP J

a) b)

Fig. 1 -a) Problèmedans le plan physique b)Transformation du problème.

Du fait du prolongement eetué pour obtenir le double orps, elui-i présentera tou-

jours aumoinsdeux oinsqui seront situés sur l'axeréel du planζ.Toutefois, etselon la

géométrie du orps onsidéré, il peut y avoirdes oins à supprimer partout ailleursdans

le plan. On note n le nombre de oins.

Pour éliminer es oins, on utilise la transformation de Karman-Tretz (voir [7℄). La

nouvelle oordonnée ζi (i ≤ n) résultant de ette transformation est liée à l'anienne oordonnée ζi1 par :

ζi = 1 2

ζt−ζc

2−α/π 1 +

ζi−1ζt

ζi−1ζc

2−α/π1

1−

ζi1ζt

ζi−1ζc

2−α/π1 , (3)

α est l'angle intérieur du oin à supprimer. ζt et ζc sont respetivements les oordon-

(4)

Si la forme obtenue après les n transformations suessives de Karman-Tretz est très éloignée de elle d'un erle (f. g. 1-b), on est amené à plaer une plaque tive au

entroïde du orps et àutiliser une transformation de Joukowski inverse.

La transformation du ontour en un erle unité est réalisée grâe à la transformation

de Theodorsen-Garrik [13℄. Cettetransformation relie ζn àT par : ζn = T exp

X

k=0

βkTk

!

. (4)

Les oeients βk qui dénissent omplètement la transformation sont alulés par un algorithme de pointxe. A onvergene, un erle parfait est obtenu.

2.2 Problème aux limites

2.2.1 Formulation du problème

Soit w = u +iv un point ourant du plan omplexe. On désigne ave un + les

grandeurs relatives au demi-plan supérieur D+ et ave unles grandeurs relatives au

demi-planinférieurD.Lafrontièreentre es deuxdemi-plans estonstituée deL,image

de la surfae mouillée par la transformation dénie en setion 2.1, ainsi que de L' et L, image de la surfae libre linéarisée. Le problème mixte vérié par le potentiel des vitesses de l'éoulementest représenté en gure 2.Il appartient àla lassedes problèmes

de Riemann-Hilbert (voir [4℄).

φ= 0 = 0

L’ L’’

φ

−1 1

u v

D+ W

D−

,n = U φ L

Fig. 2 -Problème transforméen un éoulement autour d'uneplaque plane.

2.2.2 Solution du problème aux limites - formulation de Riemann

On herhe à déterminer lafontion F(w), analytique dans D telle que :

F(w) = φ(w) +iψ(w). (5)

Cette fontion est prolongée analytiquement dans tout leplan omplexe par :

F(w) =

F(w) pour w ∈ D,

F+(w) = −F( ¯w, t) pour w ∈ D+,

(6)

désignele omplexeonjugué de w.

(5)

de Riemann:

F+(w) = G(w)F(w) +g(w), (7)

ave :

G(w) =

-1 sur L,

1 sur L' ∪ L,

et g(w) =

-2iψ(w) sur L,

0 sur L' ∪ L.

(8)

G(w)est leoeient du problème de Riemannonsidéré. Ce oeient est disontinu à

haque extremitéde L, i.e.en w=−1 etw= 1.

En vue d'une résolution, le problème (7) doit être reformuléomme un problème à oef-

ientontinu. Pour ela on forme:

ω+(w) = (w+ 1)γ1(w−1)γ2 et ω(w) =

w+ 1 w−w0

γ1

w−1 w−w0

γ2

, (9)

w0 est un point quelonquede D+.

En hoisissant les oupures du plan adéquates pour (w−w0)γ1 et (w−w0)γ2, impli-

quant que

ω(w)

ω+(w) hange de signe simultanément ave G(w), on obtient un oeient G1(w) = ωω+(w)(w)G(w) ontinutout lelong de l'axeréel. Ce oeient dénit un nouveau

problème de Riemannpour lanouvellefontion inonnue F1 telle que :

F+(w) = ω+(w)F1+(w) et F(w) = ω(w)F1(w).

Ce problème s'éritsous formeanonique:

F1+(w)

X+(w) − F1(w)

X(w) = R(w)g(w), (10)

: X+(w) = 1, X(w) = (w−w0)γ12 et R(w) = (w−1)γ1(w+ 1)γ2.

On hoisit γ1 = γ2 = 1/2, de sorte que la solution de (10) soit bornée en ±1. Cette

solution est obtenue de manière lassique (voir [4℄, [5℄) :

F1(w) = X(w) 2i π

Z

L

g(ℓ+i0)

(ℓ−w) dℓ = −(w−w0) π

Z 1

1

ψ(ℓ+i0)

(ℓ2−1)1/2(ℓ−w)dℓ. (11)

La solutionde (7)s'érit don :

F(w) = φ(w) +iψ(w) = 1

π 1−w21/2Z 1

1

ψ(ℓ+i0)

(1−ℓ2)1/2(ℓ−w)dℓ. (12)

2.3 Calul de l'éoulement autour du orps

Sousl'hypothèsequeleorpsest indéformableethutevertialementave unevitesse

U, ona :

φ,n = V.n = −Udx

ds. (13)

(6)

Lavariablesreprésentelaoordonnée urvilignelelong du ontour. nest leveteurnor-

malàlasurfaemouilléeetz esthoisitpour que(n,s,z)formentunebaseorthonormée.

La ondition de Cauhy-Riemann implique:

φ,n = ψ,s = −Udx

ds. (14)

La fontion de ourant se déduitde l'intégration de (14) par rapportà s:

ψ = −U x+c, −x2 < x < x1, (15)

c est une onstante indépendante de x et de y. En introduisant (15) dans (12), on montre que c = UA0 = 0. Connaissant ψ sur la surfae mouillée, (12) nous donne

aès à φ sur le ontour du orps, ψ à la surfae libre ainsi qu'à la vitesse vertiale de

l'éoulementà lasurfae libre φ,y.

Calul du potentiel des vitesses sur le orps A tout point (x, y) de la surfae

mouillée est assoié un point dans le plan transformé. Ce point W = u ∈ R, ave

|u| < 1est dithomologue de (x, y). De (12) ondéduit que : φ(u,0, t) = −1

π

√1−u2 Z 1

1

√ ψ(τ)

1−τ2(τ −u)dτ, |u| < 1. (16)

En utilisant lehangement de variable τ = cos(α) eten notantu = cos(θ), ona : φ(u,0, t) = U

π sin(θ) Z π

0

x(α)

cos(α)−cos(θ)dα, θ ∈ [−π;π]. (17)

En utilisant ladéomposition (1), (17) devient :

φ(u,0, t) = U π sin(θ)

X

n=1

An(t) Z π

0

cos(nα)

cos(α)−cos(θ)dα, (18)

e quifait apparaître une intégrale de Glauert. On a alors :

φ(u,0, t) = U

X

n=1

An(t) sin(nθ), |u|<1, θ ∈ [−π;π]. (19)

On vérie que φ tend vers 0 aux points homologues des points de ontat dans le plan

physique i.e.en θ = −π ouθ = 0.

Calul de la fontion de ourant à la surfae libre De (12) ondéduit ette fois :

ψ(u,0, t) = sg(u)U π

√u2−1

X

n=1

An

Z π 0

cos(nα)

cos(α)−udα, |u|>1. (20)

On pose :

In(u) = Z π

0

cos(nα)

cos(α)−udα. (21)

[6℄, nous donne:

I0(u) = Z π

0

cos(α)−u = −2π sg(u)

√u2−1 . (22)

(7)

I1(u) = Z π

0

cos(α)dα

cos(α)−u = π + u I0. (23)

Pardes onsidérationstrigonométriques, onobtientla relationde réurene :

In(u) = 2u In2(u) − In2(u) (24)

2.3.1 Calul de φ,y à la surfae libre

Lavitesse vertiale de l'éoulementà lasurfae libre est donnée par :

φ,y = −Im dF

dZ

= −Im 1

J(u) dF

du

, (25)

J(u) est le Jaobien de la transformation onforme, évalué au point u homologue de x pointourant de la surfae libre linéarisée. J(u) est réel sur (Im(w) = 0, |w|>1), e

qui implique :

φ,y = − 1 J(u)

du. (26)

Pardérivation de (20) :

φ,y(u,0, t) = sg(u) U J(u)π

X

n=1

An(t)Ln(u), |u|>1. (27)

ave :

Ln(u) = d du

u2−1In(u)

= u

√u2−1In(u) +√

u2−1Kn(u). (28)

Les Kn(u) sontdénis par : Kn(u) =

Z π 0

cos(nα)

(cos(α)−u)2dα = u Kn1(u) +n In1(u), (29)

et :

K0(u) = u I0(u)

1−u2. (30)

Asymptotiquement on montre que Ln(u) = O(u(n+1)), e qui permet de vérier que la

surfae libre reste au reposà l'inni.

2.4 Calul des orretions mouillées

L'intégration en temps de la ondition inématique de surfae libre, érite aux points

de ontat x1 etx2, permet d'érire:

f(xj)−H(t) = Z t

0

φ,y(xj(t), η(xj(τ), τ), τ)dτ j = 1..2. (31)

φ,y est donné par (27) etdépend uniquement de (xj(t), x1(τ), x2(τ)). Ces deux équations

sont à résoudre simultanément pour aluler les orretions mouillées. En introduisant

H(t)dans l'intégrantde (31) et en dénissant lanouvelle fontionW par :

U(τ) +φ,y(xj(t), yj(τ), τ) =U(τ)W(xj(t), x1(τ), x2(τ)), (32)

(8)

le hangement de variable ℓ=xj(τ)pour τ ≤t,dans (31) permetd'érire : f(x1(t)) =

Z x1(t) 0

U(ℓ)W(x1(t), ℓ, x2(ℓ))dτ

dℓdℓ. (33)

En suivant laméthode de Mei[10℄, U(ℓ)dℓ est déomposé sur une base de polynmes de

Chebyshev :

U(ℓ)dτ dℓ =

N

X

j=0

a(1)j Tj(ℓ) =

N

X

j=0

b(1)jj, (34)

Tj(ℓ) est le jeme polynme de Chebyshev de première espèe, auquel on fait subir le

hangement d'éhelle approprié. Connaissant les oeients a(1)j ou b(1)j , l'intégration de (34) sur [0 : x1(t)] fournit la valeur nale de x1(t). La première équation (33) s'érit

omme :

f(x1(t)) =

N

X

j=0

a(1)j Z x1(t)

0

W(x1(t), ℓ, x2(ℓ))Tj(ℓ)dℓ. (35)

L'équation (35) est résoluepar olloation.Lavariable x1(t) est éhantillonéesur l'inter- valle[0 :X1] en prenant leszéros du polynme de Chebyshev TN+1.

Le nouveau système d'équation pour x1, x2 est fortement non-linéaire et sa résolution requiertl'utilisationd'unalgorithmede pointxe.Pour initialiserleproessusitératif,il

estnéessaire dedisposerd'unevaleurpourx2(ℓ)oux1(ℓ).Pourela,onutiliselasolution

fournie par lemodèlede Wagner linéarisépourdes setions asymétriquesde Solanet al.

[11℄.Dans e as, lesdeux onditions de Wagner donnent :

Z x1

x2

f(x)

rx1−x x−x2

dx= Z x1

x2

f(x)

rx−x2

x1−x dx. (36)

On dispose alors d'un moyen de alul de x2 pour une jeu donné de valeurs de x1 sur

l'intervalle [0 : X1]. Il est possible de proéder de la même manière pour x2 ∈ [0 : X2]. L'équation (35) et son homologue pour x2 sont ensuite résolues. On en déduit les

oeients a(1)j eta(2)j ,qui nous permettent de realuler lesfontions x2(ℓ)or x1(ℓ). Ce

même proessus est répété jusqu'à onvergene, les orretions mouillées nales sont

alulées.

2.5 Calul de la distribution de pression

Lapression est donnée par l'équationde Bernoulli :

p = −ρφ,t − 1

2ρ(▽φ)2, (37)

ρestlamassevolumiqueduuide.Latransformationonformedépendantdutemps,le aluldeφ,tdoitêtreeetuéavesoin.Pourela,onintroduitφ(θ, t) =˜ φ(x(θ, t), y(θ, t), t)

qui peut être dérivée en temps en xantθ. On a alors :

φ,t(x(θ, t), y(θ, t), t) = ˜φ,t(θ, t) − x,tφ,x(x(θ, t), y(θ, t), t)−y,tφ,y(x(θ, t), y(θ, t), t) (38)

Lealuldu termequadratiquede (37)ne pose pasde diulté.Lapriseen omptede e

dernier terme est importante. Il permet en eet d'éliminer la singularité que présente le

terme linéairede (37) aupointde ontat.Lapressionainsi alulées'annuleen un point

situé avantle point de ontat. Ce point dénitalors le support d'intégration quiservira

à aluler la fore hydrodynamique par intégration de la pression le long de la surfae

(9)

Dansette setion, onmontre quele présent modèle de Wagner généralisé vérie une

loideonservationdelamasse.Pourela,ondéompose ledomaineuideommeindiqué

en gure3 et ondénit:





























m1(t) =

Z xK2(t)

xK1(t)

(Ut−f(x))dx,

m2(t) =

Z xK1(t)

x1(t)

(f(x)−Ut)dx +

Z x2(t) xK2(t)

(f(x)−Ut)dx,

m3(t) =

Z x1(t)

−∞

(η(x, t)−Ut)dx + Z

x2(t)

(η(x, t)−Ut)dx.

(39)

xK1 etxK2 sontlesorretions mouilléesfournies parl'approhe de Karman(intersetion du orpsetde lasurfae librenonperturbée)etη(x, t)représentel'élévationde lasurfae libre en un point x etautemps t.

00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000

11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111

00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000

11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111

00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000

11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000

1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111

m1 m2 m3

x

−x1 −xK1 xK2 2

Fig. 3 -Dénition de m1, m2 et m3 -vériation de laloide onservation de la masse.

La loide onservation de la masse s'éritalors simplement :

m1(t) = m2(t) + m3(t). (40)

On montre analytiquementque(40)estvraiequelquesoittenréérivantlaloide onser-

vationde lamasse sous sa formedérivée :

U (x1 + x2) = Z x1

−∞

,t(x, t)−U)dx + Z

x2

,t(x, t)−U)dx (41)

Le terme de gauhe s'érit en fontion des An en remarquant que :

x1 =

X

n=1

An(−1)n, et x2 =

X

n=1

An. (42)

Dansletermededroiteonsubstitueη,t−U = φ,yparsonexpressionenfontiondesAn(t)

(27). En eetuant lehangement de variableu = u(x), onexprime e termeomme : U

π

X

n=1

An

Z 1

−∞

Ln(u)du + Z

1

Ln(u)du

. (43)

En utilisant lespropriétés importantes :

l1n = Z 1

−∞

Ln(u)du = (−1)nπ, et l2n = Z

1

Ln(u)du = π, (44)

on montre bien que(41) est vériée quel que soitt.

Références

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