Aérodynamique navale : état de l’art des techniques de mesure et de simulation - Partie II

 

Partie II de l'article suivant http://www.3af.fr/article/sciences-et-technologies/aerodynamique-navale-etat-de-l-art-des-techniques-de-mesure-et-de

 

4. Fonctions de transfert des anémomètres

 

L’intégration de véhicules aériens ne peut se faire sans une bonne connaissance des conditions locales de vent. En opération, il est très difficile d’obtenir une mesure fiable du vent au niveau des ponts en raison des nombreuses interactions. Le plus souvent, la mesure du vent est reportée en mâture afin de réduire l’impact des interactions. Sur les navires, le vent est mesuré au moyen de plusieurs anémomètres et girouettes. Cet ensemble constituant le « réseau vent » peut être complété avec un anémomètre de référence localisé en haut d’un mât. Les distorsions importantes du champ aérodynamique requièrent de définir les fonctions de transfert d’une part entre la mesure brute du « réseau vent » et le vent relatif réel, d’autre part entre le « réseau vent » et le vent local sur les spots et pistes d’appontage.

 

La connaissance de ces fonctions de transfert revêt la plus haute importance. Le « réseau vent » fournit la mesure du vent relatif via la fonction de transfert identifiée. Le navire a également sa propre vitesse d’avance. La conjonction des deux informations permet alors de déterminer le vent météo, paramètre important pour l’aviation évoluant au voisinage du pont d’envol du navire. Dès que l’aéronef est en contact avec le pont, c’est le vent relatif local qui doit être pris en compte pour l’évaluation de ses coefficients aérodynamiques globaux, en particulier durant les phases de manœuvres au sol, celles préparatoires au décollage ou en approche finale juste avant le touché.

 

Pendant les essais en mer, il est difficile d’identifier précisément les conditions de vent météo et par conséquent, le vent relatif. Les fonctions de transfert peuvent être déterminées facilement en soufflerie où le vent relatif est parfaitement connu, tant en module qu’en direction.

 

Localisation des mesures. Le “réseau vent” doit être localisé aussi haut que possible, afin de minimiser l’impact de perturbations ou d’interactions aérodynamiques. D’un autre côté, les capteurs doivent pouvoir être accessibles pour des opérations de maintenance notamment. Comme mentionné plus haut, le “réseau vent” est composé de quelques anémomètres (pour la redondance) en général répartis sur un cercle virtuel autour du mât. L’effet de géométrie du mât n’est pas neutre car il peut ne pas permettre de placer les capteurs dans des zones suffisamment non perturbées. En soufflerie, au lieu de mesurer le vent local à une position précise de l’anémomètre, il est préféré de cartographier une grille (typiquement 25 points de mesure) dans le plan du cercle virtuel des anémomètres (voir figure 9). Ceci permet, en cas de mauvais positionnement d’un anémomètre, de trouver une nouvelle position acceptable sans avoir à réaliser un nouvel essai.

 

Figure 9. Réponses des anémomètres du navire mesurées par fils chauds

 

Les composantes de vitesse sont identifiées dans le repère du vent relatif selon des conventions habituelles. Malheureusement, les réponses des anémomètres sont souvent altérées par la proximité des superstructures ou d’équipements électroniques, comme des antennes, qui génèrent des déflections latérales ou verticales de l’écoulement. Il convient de remarquer que (voir figures 10 et 11) :

 

  • l’hétérogénéité des composantes de vitesse et turbulence indique qu’une petite variation de la localisation de l’anémomètre peut engendrer des variations importantes de coefficients ;
  • les différences entre des directions de vent successives peuvent compliquer la modélisation et poser des problèmes de continuité des formulations ;
  • les deux points précédents conduisent à une incertitude accrue liée à la fonction de transfert.

 

Figure 10. Fonction de transfert : vitesse du “réseau vent

Figure 11. Fonction de transfert : dérapage “réseau vent”

 

5. Chargements aérodynamiques

 

Contexte. L’action du vent sur le haut des superstructures peut engendrer des charges considérables qui doivent être prises en compte dans le processus de conception [9,10]. Les charges aérodynamiques interviennent dans le dimensionnement du système propulsif et sont aussi un paramètre d’entrée pour les dispositifs de compensation de houle. En cas d’endommagement, ces efforts peuvent être déterminants pour la survie du navire et de son équipage. Les chargements aérodynamiques peuvent aussi être affectés par la proximité d’autres navires ou structures offshore.

 

Un bâtiment naviguant par mer et météo calmes voit une résistance aérodynamique liée à la pénétration dans l’air de sa coque et de ses superstructures. Cette résistance dépend de la vitesse d’avance et de la géométrie (surface exposée, formes) du navire. En présence de vent, la résistance dépend aussi de la vitesse du vent météo et de sa direction relative. En raison des nombreuses fonctions assignées aux superstructures et du fait que le vent relatif peut venir de toutes les directions, leurs formes ne peuvent être optimisées aérodynamiquement. Par conséquent, la conception du navire ne laisse que peu de marges de manœuvre pour la réduction de la résistance aérodynamique.

 

Le contributeur principal à la résistance aérodynamique des superstructures est leur surface exposée, la résistance variant avec le carré de la vitesse. L’Amiral Taylor a suggéré que la résistance aérodynamique pour un navire conventionnel par vent de face pouvait être assimilée à l’effort sur une plaque plane orthogonale au vent relatif de largeur égale à la largeur du navire et de hauteur moitié. Par ailleurs, une étude exhaustive de la résistance aérodynamique des superstructures de navires a été réalisée par Hughes. Ces approches ne tiennent pas compte des couches limites se développant au dessus de la mer. La British Ship Research Association (BSRA) a réalisé des essais sur des maquettes de bâtiments modernes du même type que ceux de Hugues. Les superstructures étaient typiques des navires actuels, sans recherche aérodynamique particulière. Les essais ont été conduits dans une grande soufflerie et l’influence de la couche limite marine a été analysée avec un gradient de vitesse très comparable aux mesures réalisées en mer. Les résultats ont montré une diminution de la résistance aérodynamique de 20 à 45% par rapport à l’absence de couche limite marine.

 

Il convient de rappeler que certaines hypothèses sont émises dans les comparaisons entre résultats de soufflerie et en situation réelle ;en particulier le vrillage du profil de vitesse relatif, lié à la combinaison du vent météo (et de la couche limite marine) et de la vitesse d’avance du navire, n’est pas représenté en soufflerie. Néanmoins, certaines simulations réalisées pour déterminer les valeurs de vrillage du profil de vitesse montrent que les angles les plus forts sont localisés au voisinage de la surface libre.

 

Les coefficients aérodynamiques des œuvres vives peuvent aussi être déterminés en soufflerie par utilisation de maquettes miroir afin de s’affranchir des effets de couche limite se développant sur le pont.

 

Procédure expérimentale. Une maquette de navire peut générer une obstruction de la veine d’essai significative, particulièrement en cas d’essais en vent de travers. Les bonnes pratiques développées à l’Onera montrent que la taille maximale de maquette à 90° de dérapage doit respecter une distance entre la proue ou la poupe et les parois de la soufflerie supérieure à une demi-longueur de navire. Par conséquent, les longueurs de maquette ne doivent pas excéder la demi-largeur du plancher de la soufflerie.

 

Figure 12. Charges aérodynamiques sur un navire.
Effet de gite

 

La détermination du chargement aérodynamique sur le navire est réalisée à l’aide d’une balance de pesée à six composantes fixée sous le plancher de la soufflerie. La contribution aérodynamique est obtenue classiquement par différence entre des essais avec et sans vent (voir figure 12). Les essais sont généralement réalisés avec et sans couche limite marine et pour différents nombres de Reynolds afin d’évaluer l’effet de ces paramètres et de s’assurer que l’influence de ce dernier est marginale.

 

6. Conclusion

 

Cet article a présenté les solutions mises en œuvre à l’Onera pour identifier et améliorer le domaine opérationnel des navires en fonction de perturbations liées à l’environnement opérationnel (eau, vent, pollution, etc.). Les solutions proposées sont largement basées sur des études expérimentales dans les souffleries basse vitesse L1 et L2, avec de plus en plus souvent couplage à des simulations numériques CFD complémentaires.

 

Divers types de visualisations, par enduit gras, par fils de laine, fumée et plan laser, permettent une approche qualitative des phénomènes. Les techniques de mesure par fil chaud ou PIV, les mesures de température, de concentration de gaz, de torseurs d’efforts sont autant d’approches quantitatives qui complètent la « boîte à outils » de l’ingénieur.

 

Les bases de données expérimentales produites dans les souffleries participent à l’amélioration de la conception des navires, à leur qualification, ou permettent de valider les approches numériques, en particulier les approches instationnaires, pour l’évaluation des efforts aérodynamiques. Dans un futur proche, ces bases de données permettront aussi de valider des méthodes de reconstruction de champs aérodynamiques 3D instationnaires. A moyen terme, ces méthodes devraient permettre de doter les équipages du navire et de l’aviation embarquée d’outils d’amélioration de la conscience de situation avec pour avantages une réduction des risques en opération voire une amélioration des enveloppes opérationnelles.

 

Remerciements

 

Certaines des résultats présentés ont bénéficié du support du CISIT (Campus International pour la Sécurité et l’Intermodalité dans les Transports – www.cisit.org), la région Nord-Pas de Calais, l’Union Européenne, le Ministère de la Défense et DCNS.

Cet article est la version française d’une communication présentée au 49ème Symposium International d’Aérodynamique Appliquée de la 3AF qui s’est tenu à l’Ecole Centrale de Lille en mars 2014.

 

References

 

1. Barlow, J.B., H. Rae, W., Pope, A. Low Speed Wind Tunnel Testing. Third Edition Wiley-Interscience Publications.

2. Myers, J.J., Holm, C.H., Mc Allister, R.F. Handbook of Ocean & Underwater Engineering. Mc Graw-Hill Book Company.

3. NF EN ISO 19901-1 (2006). Exigences spécifiques relatives aux structures en mer. Partie 1 : Dispositions océano-météorologiques pour la conception et l’exploitation.

4. J. P. Detrie. La pollution atmosphérique. Collection les industries, leurs productions, leurs nuisances. Dunod, Paris.

5. S. Eustaze. Le rabattement des fumées sur les ponts d’un navire – Essais sur modèles et dispositions pratiques. Bulletin de l’Association technique Maritime, N° 50.

6. Ross, R.D. La pollution atmosphérique et l’industrie – Nuisances, analyse et contrôle des émissions, technologie anti-pollution. Entreprise Moderne d’Edition – Technique et Documentation

7. Herry, B. (2010). Etude aérodynamiqued’une double marche descendante 3D appliquée à la sécurisation de l’appontage des hélicoptères sur les frégates. Thèse de Doctorat, Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis.

8. CAP 437 (2013). Standards for Offshore Helicopter Landing Areas.

9. Edward V. Lewis Editor. Principles of NavalArchitecture. Second revision. Vol II, Resistance, Propulsion & Vibrations

10. Sachs, P. Wind Forces in Engineering. Pergamon Press.

 

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