Soutenance de thèse de ZHANG Runze

M. Runze ZHANG soutiendra sa thèse de doctorat intitulée "Modélisation des systèmes vibratoires couplés avec interaction fluide-structure", le lundi 25 novembre 2024 à 14h à Salle Ax101, UFRST, Evry. Cette thèse a été réalisée au LMEE sous la direction de Mohamed Sellam et Amer Chpoun et co-encadrée  par Yu Cong. 

Résumé

Cette thèse porte sur deux aspects de la dynamique vibratoire des structures en interaction fluide-structure (IFS) : le contrôle des vibrations des structures immergées dans un fluide et la récupération des vibrations induites par un fluide pour leur conversion en énergie électrique. Ce mémoire présente nos contributions dans ces deux domaines. 

Premièrement, concernant le contrôle des vibrations, l’émergence récente des méta-structures a ouvert de nouvelles perspectives pour maîtriser les vibrations des structures en IFS. Ces structures, souvent constituées de microstructures périodiques, permettent de moduler la propagation des ondes vibratoires. Leur conception, prenant en compte les conditions spécifiques à l’IFS, constitue un sujet de grande importance. Nous avons développé un modèle par éléments finis basé sur l’analyse d’une cellule élémentaire, qui permet de prédire les bandes de fréquences interdites pour des plaques composites périodiques soumises aux conditions IFS. Une contribution clé de ce travail réside dans la formulation d’une nouvelle matrice de masse ajoutée, intégrant les conditions de Bloch dans les domaines solide et fluide de la cellule élémentaire. Cette approche permet un contrôle passif des vibrations et la conception de structures minces avec des bandes de fréquences spécifiques. 

Ensuite, nous avons exploré la modulation active de ces bandes de fréquences dans des scénarios similaires de structures minces avec IFS, en introduisant un système couplé comprenant des composants piézoélectriques. Le modèle de cellule élémentaire fluide-structure, tenant compte des conditions de Bloch, inclut également les effets de couplage piézoélectrique. Nos recherches montrent que les effets inertiels du fluide influencent fortement les bandes de fréquences des structures minces, en raison de leur faible inertie propre. Une optimisation de la microstructure, incluant la disposition et la forme des composants piézoélectriques, ainsi que la définition d’une loi de contrôle, permet d'obtenir une modulation optimale des bandes de fréquences, en fonction des applications spécifiques. 

Dans la seconde partie du travail, nous avons étudié les vibrations induites par un écoulement fluide comme source d'énergie, pouvant être convertie en électricité grâce à l'effet piézoélectrique direct. Un système couplé, composé d’une structure vibrante intégrant des composants piézoélectriques connectés à un circuit externe, a été modélisé pour être soumis à un écoulement fluide. Contrairement aux modèles simplifiés de type poutre souvent utilisés, nous avons proposé un modèle à échelle complète basé sur des éléments finis solides. Cela permet de prendre en compte des caractéristiques complexes, telles que l’utilisation de transducteurs microstructurés et de cantilevers non uniformes. À l'aide de ce modèle, diverses configurations de systèmes de récupération d'énergie avec générateurs de turbulence, permettant une efficacité améliorée, ont été étudiées. 

En résumé, la modélisation multiphysique du couplage pour différentes conditions d'IFS proposée dans cette étude, permet non seulement de prédire et de contrôler efficacement les vibrations structurelles en milieu fluide, mais elle offre également des outils numériques pour le développement de systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique performants.