Characterization of aeration in numerical modeling of liquid/solid impacts

Les impacts hydrodynamiques sont très fréquents dans les applications naturelles et industrielles, de l'impact des vagues sur les structures portuaires aux déversements de barrages dans les installations hydroélectriques. Il est indispensable d'étudier ces impacts pour prédire les charges associées et prévenir la fatigue, l'érosion et même la rupture des structures. Lorsque l'eau et l'air interagissent au cours de ces écoulements complexes à surface libre, l'air peut être entraîné ou piégé dans l'eau, ce qui crée un impact de liquide aéré. L'aération peut prendre la forme d'un mélange de petites bulles d'air et d'eau ou de structures liquides à grande échelle entourées d'air. Des coussins ou des poches d'air peuvent également être observés.La dynamique des fluides numérique (CFD) est un outil puissant pour simuler des configurations réelles à grande échelle et résoudre certaines des complexités mentionnées ci-dessus. Dans cette étude, nous utiliserons des approches différentes pour modéliser l'impact d'une plaque ronde contre de l'eau au repos (phénomène de slamming) et l'impact d'un jet d'eau en chute libre (nappe d'eau) de $10 m$ de hauteur sur une plaque horizontale en utilisant OpenFOAM, un code open-source développé en C++ pour résoudre les équations de la dynamique des fluides avec la méthode des volumes finis. Les résultats numériques pour les charges d'impact (par exemple les pressions d'impact et l'impulsion) ont été comparés aux données expérimentales pour les deux applications. L'analyse du slamming, nous a permis de constater que la convergence en maille des pics de pression d'impact est un blocage majeur. En revanche, la convergence en maillage pour l'impulsion de pression peut être vérifiée. Cette étude s'est intéressée également aux effets de l'aération et de la courbure d'une plaque. Les résultats obtenus sont significatifs, car ils démontrent que ces deux facteurs permettent de dissiper l'énergie lors d'un impact liquide-solide. En conséquence, les charges hydrodynamiques diminuent de manière importante.L'analyse de la chute d'eau a révélé la complexité de cet écoulement, posant plusieurs défis numériques à résoudre, tels que les échelles réduites de turbulence et les inclusions liquides ou gazeuses à petite échelle. Par conséquent, nous avons développé une procédure numérique pour isoler la zone d'impact avec plus de précision. Comparé au cas du slamming, nous avons constaté une convergence de maillage plus fiable, notamment pour les pressions d'impact grâce à l'effet de mouillabilité induit par l'impact continu de l'eau.Hydrodynamic impacts are widespread in both natural and industrial applications, from wave impact on port structures to dam spills dedicated to hydroelectric installations. Studying these impacts is crucial to predicting the associated loads and preventing structures from fatigue, erosion, and even fractures. When water and air interact during these complex free surface flows, air can become entrained/trapped into the water, creating an aerated liquid impact. This can cause pressure oscillations, resulting in positive and negative forces on the structure. The aeration can be a mixture of small air bubbles and water or large-scale liquid structures surrounded by air. Air cushions or pockets can also be observed.Computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool for simulating real-size configurations with large scales and resolving some of the complexities mentioned above. In this study, we will use different approaches to model the impact of a round plate against water at rest and the impact of a water jet in free fall (water sheet) of $10 m$ on a horizontal plate using OpenFOAM, an open-source code developed in C++ for solving the fluid dynamic equations with the finite volume method. Numerical results for impact loads (e.g. impact pressures and impulses) were compared with experimental data for both applications.We find for the slamming analysis that the mesh convergence for the impact peak pressure is a major stumbling block. On the other hand, the mesh convergence of the pressure impulse may be verified. This study also investigated the effects of aeration and plate curvature. The results obtained are significant, demonstrating that these two factors dissipate energy during a liquid-solid impact. As a consequence, hydrodynamic loads are significantly reduced.The waterfall analysis revealed the complexity of this flow, presenting several numerical challenges to be resolved, such as small turbulence scales and small-scale liquid or gaseous inclusions. We have therefore developed a numerical procedure to isolate the impact zone more accurately. Compared with the slamming case, we found more reliable mesh convergence, particularly for impact pressures thanks to the wettability effect induced by continuous water impact