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

L’aérodynamique navale est une véritable tradition au Centre de l’Onera de Lille où depuis 1947 de très nombreux bâtiments de surface (paquebots, pétroliers, frégates, porte-avions, porte-hélicoptères, etc.) et sous-marins (carènes, sonars, sous-marins d’attaque, etc.) ont été étudiés dans les souffleries L1, L2 et SV4. Cette activité a fortement évolué au fil du temps en raison de l’impact croissant des contraintes d’environnement des bâtiments sur leur caractère opérationnel. Voici quelques exemples typiques de cette évolution :
 

- alors que la présence de pollution (gaz d’échappement) est étudiée de longue date, la notion de “confort piétonnier” lors du déplacement des passagers à bord, est plus récente ;
 
- pour les navires militaires certaines zones d’évolution du personnel doivent répondre à des contraintes de pollution réduite, les équipements électroniques disposés en mâture ne doivent pas être exposés à des températures trop élevées et l’aérologie des zones de décollage et d’appontage devra être compatible d’opérations avec des drones (voir figure 1).


Les concepteurs élaborent des réponses à ces contraintes grâce à des essais en soufflerie à échelle réduite de plus en plus fréquemment couplés à des simulations numériques.


Figure 1. Impact de l’environnement sur le caractère opérationnel d’un navire



1. Contexte et spécificités de l’aérodynamique navale

Les navires sont souvent le siège de phénomènes aérodynamiques intenses pouvant conduire à des contraintes en opération rédhibitoires. De plus, le caractère tourbillonnaire et fortement instationnaire d’écoulements décollés favorise l’apparition locale de phénomènes pénalisants, comme le recyclage de gaz d’échappement par des entrées d’air frais pour les zones habitées. Contrairement au domaine aéronautique classique, le vent relatif, combinaison de la vitesse d’avance et du vent météo, peut venir de toutes les directions. En outre, pour être significatifs, les essais doivent satisfaire à des conditions de similitude bien définies.

Similitude en nombre de Reynolds. La mécanique des fluides utilise des nombres sans dimension pour caractériser les typologies d’écoulement. Le nombre de Reynolds, sans doute le plus important, détermine le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses [1]. Les nombres de Reynolds typiques pour des navires en opération sont compris entre 107 et 109 alors qu’ils sont entre 105 et 107 lors des essais en soufflerie en fonction de la vitesse de l’écoulement et de l’échelle de la maquette du navire. Une attention particulière doit aussi être portée à l’influence de la turbulence ambiante pouvant être élevée dans les écoulements atmosphériques, ce qui réduit la dépendance du régime d’écoulement au nombre de Reynolds. La présence de zones laminaires n’est généralement pas significative en raison du taux de turbulence ambiant élevé associé aux géométries anguleuses. La dépendance au nombre de Reynolds des mesurandes d’intérêt est alors considérée comme négligeable.

Couche limite marine. De la même manière que sur terre, le vent balaye l’océan en développant une couche limite épaisse dont la distribution de vitesse doit être représentée lors des essais en soufflerie car elle impacte significativement certaines caractéristiques du navire [2,3]. La solution la plus souvent admise est d’introduire des perturbations en amont de la maquette créant un blocage de l’écoulement. Une distribution adéquate de ces perturbations permet de créer la distribution de vitesse recherchée ; le dispositif impacte aussi le profil de turbulence, mais n’est pas calibré sur un profil de turbulence particulier. Les répartitions de vitesse et de turbulence au voisinage de la maquette sont mesurées avant les essais pour vérifier leur adéquation avec la couche limite marine recherchée et pour s’assurer qu’elles sont en accord avec le degré d’exigence des essais.

Modélisation des panaches de fumée. Mis à part les navires à propulsion nucléaire, les systèmes de propulsion (chaudières, moteurs diesel, alternateurs) nécessitent de l’air frais en entrée et relâchent des gaz d’échappement dans l’atmosphère. Les gaz d’échappement, en général libérés à haute température (en particulier pour les turbines à gaz), peuvent contenir des sous-produits de combustion corrosifs qu’il convient de disperser dans l’atmosphère loin du navire. Le panache peut affecter le domaine opérationnel du navire, par réduction de la visibilité, génération de températures élevées au voisinage des équipements électroniques en mâture, recyclage d’air vicié voire toxique par des entrées d’air frais ou en rendant des zones habitées inexploitables. Pour être représentative, la simulation des échappements en soufflerie doit respecter certaines lois de similitudes portant sur la pression dynamique du panache, son débit massique et sa force ascensionnelle [4,5]. En pratique, il est rarement possible de respecter les 3 paramètres simultanément. La pression dynamique du panache est le paramètre de similitude le plus significatif et impactant. Les forces ascensionnelles sont petites devant les forces d’inertie et ont un effet faible sur la dynamique en champ proche de l’interaction du panache avec l’écoulement autour du navire, ce qui n’est pas le cas sur le panache loin du navire.

Dispersion des polluants. La turbulence atmosphérique dans les basses couches de l’atmosphère assure en pratique la dispersion des polluants. La turbulence atmosphérique peut avoir une origine mécanique ou une origine thermique. Dans le premier cas, l’interaction du vent météo avec des rugosités de surface est l’un des mécanismes source. Dans le second cas, cela dépend surtout de la répartition de température entre le sol et une altitude donnée. Sous certaines conditions, ces deux phénomènes peuvent se combiner. Dans les conditions d’inversion thermique, se caractérisant par la présence d’air plus frais au voisinage du sol qu’en altitude, les fumées peuvent être emprisonnées sous un plafond et conduire à des situations de pollution stagnante [6]. Dans la dispersion de polluants, le “gaz porteur” est essentiellement considéré au travers de sa masse, les produits gazeux polluants suivant le gaz porteur et se dispersant avec lui. On considère aussi que les polluants solides (diamètres de particules inférieurs à 20 µm) se comportent comme le gaz dans lequel ils évoluent, les particules de plus grande taille retombant en surface beaucoup plus rapidement.

La température des effluents gazeux et le rapport de la vitesse d’éjection de la fumée à la vitesse du vent météo sont deux paramètres déterminants dans la dispersion des polluants. En fonction de ces paramètres, les altitudes de panaches peuvent être accrues de plusieurs mètres voire plusieurs dizaines de mètres. La présence des superstructures près des cheminées peut avoir une influence considérable sur la dispersion des effluents gazeux, le sillage des cheminées constituant une zone de faible pression qui peut piéger les effluents. Ce phénomène contribue à noircir les cheminées et à les corroder prématurément. Cependant, l’application de règles empiriques permet d’améliorer la situation. Pour éviter la capture des gaz dans le sillage des cheminées, il est recommandé d’adopter une vitesse d’éjection des gaz supérieure à 20 m/s et même parfois à 30 m/s. Mais ces vitesses peuvent être limitées par des contraintes liées aux pertes de charge.
 
 
2.  Moyens d’essais pour les études navales
 
Soufflerie L1. La soufflerie L1, construite en 1934 (voir figure 2), a été modernisée à plusieurs reprises, notamment en 1980. Il s’agit d’une soufflerie de type Eiffel à couloir de retour. La veine d’essais est circulaire, de diamètre et de longueur 2,4 m. Elle dispose d’un moteur électrique de 650 kW de puissance installée, équipé d’un convertisseur de fréquence pour être opéré à vitesses variables. La vitesse maximale d’écoulement en veine est de 75 m/s. Le niveau de turbulence est d’environ 1,3% sur la bande de fréquence 0 – 1000 Hz en veine ouverte (cas le plus défavorable). Le nombre de Reynolds critique de la sphère (diamètre 100 mm) y est de 287 000. La partie basse de la veine d’essai peut être équipée avec un sol permettant de simuler la surface libre d’une mer calme. Un plateau tournant ainsi qu’un système porte sonde robotisé sont disponibles. Une veine fermée dodécagonale peut être installée pour les applications nécessitant des accès optiques de bonne qualité.
 
Figure 2. Porte avions Charles de Gaulle dans la soufflerie L1
 
Grande soufflerie L2. La soufflerie L2 de l’Onera a été mise en service en 1968, agrandie et entièrement rénovée en 2002, puis continuellement améliorée depuis (voir figure 3). La soufflerie L2 est installée dans un hall industriel de 725 m² constituant les couloirs de retour de l’installation. La veine d’essais est fermée et rectangulaire de 6 m de largeur, 2,4 m de hauteur et 13 m de longueur. En amont de la veine d’essai, la soufflerie est équipée d’une chambre de tranquillisation disposant d’un nid d’abeille en entrée et d’un convergent en sortie, conférant un coefficient de réduction de 3,1.
 
Figure 3. Bâtiment de Projection et de Commandement (BPC) « Mistral » dans la soufflerie L2
 
En aval, un diffuseur assure la jonction avec les ventilateurs. L’écoulement est assuré par 18 moteurs électriques, contrôlés individuellement par variateurs, pour une puissance totale de 125 kW. La vitesse de l’écoulement en veine est ajustable jusqu’à la vitesse maximale de 20 m/s. Un plateau tournant de 6 m de diamètre permet d’ajuster l’azimut des maquettes montées en paroi ou au sol. La soufflerie est aussi équipée d’un robot porte sonde 3 axes permettant de réaliser des sondages préprogrammés.
 
Caractéristiques communes aux deux souffleries L1 et L2. Les deux souffleries sont opérées depuis leur salle de commande insonorisée et climatisée. Le système de contrôle est conçu pour être mis en œuvre par un seul opérateur avec pilotage de l’écoulement en veine, gestion de l’acquisition des données et réalisation des changements de configuration requis par le programme d’essais. Plusieurs caméras vidéos permettent d’assurer un contrôle des opérations dans et autour de la veine d’essais. Un atelier co-localisé permet d’assurer les modifications mineures de maquettes lorsque nécessaire. L’accès aux souffleries est restreint au personnel habilité ou autorisé et contrôlé par badges, ce qui assure un niveau élevé de confidentialité. Le site est protégé en permanence.
 
Ces deux souffleries peuvent être équipées d’un dispositif de génération de couche limite atmosphérique localisé en sortie de convergent et composé de tubes distribués non uniformément entre le sol et le plafond. Ce dispositif peut être complété par des rugosités distribuées au sol de manière à parfaire la représentation d’une couche limite marine.
 
L’instrumentation des deux installations est construite autour de châssis intégrant des modules de commande, des cartes relais, des modules DSP (Densité Spectrale de Puissance), des générateurs de signaux, des cartes d’acquisition ainsi que des modules de conditionnement de jauges de contrainte et d’acquisition. Ce dispositif est complété par un système DANTEC pour l’anémométrie fils chauds. Pour les mesures d’efforts aérodynamiques, les souffleries peuvent faire appel au catalogue de balances de pesée de l’Onera. Les souffleries L1 et L2 sont aussi équipées d’analyseurs de gaz par absorption infrarouge du CO2. Un laser argon 5 W couplé à un générateur de fumée est utilisé pour les visualisations tomoscopiques. Des systèmes d’enregistrement et de traitement d’images sont aussi disponibles. Les souffleries sont équipées du système CAO Solidworks©. Un modèle numérique des deux souffleries a été développé, ce qui permet d’intégrer virtuellement les maquettes en amont des essais, et d’en ajuster la conception.
 
 
3. Topologies d’écoulements
 
Techniques de visualisation. Deux techniques sont mises en œuvre pour visualiser les écoulements autour des navires. La première est basée sur la tomoscopie laser (voir figure 4). Elle est adaptée pour repérer des points caractéristiques, tels les points d’arrêt de l’écoulement, ainsi que mettre en évidence l’extension des zones décollées ou la taille de bulbes de décollement. La fumée peut aussi être utile pour visualiser les phénomènes à durée de vie longue comme les tourbillons prenant naissance au bord d’attaque ou sur les arêtes du pont et qui peuvent avoir des effets nocifs. La fumée permet aussi de déterminer les enveloppes d’écoulement peu ou pas perturbé au dessus du pont. Cette technique met en œuvre un plan laser motorisé, transversal ou longitudinal, afin d’améliorer la qualité de la visualisation. Cette première technique est donc riche d’enseignement pour l’étude des écoulements sur et autour du navire. Elle peut aussi être utilisée pour l’étude des panaches éjectés des cheminées.
 
Figure 4. Tomoscopie laser– Tourbillon en fer à cheval devant une superstructure
 
Des visualisations par enduit pariétal gras permettent de matérialiser finement l’écoulement sur les ponts et les superstructures et d’identifier les traces des structures tourbillonnaires (voir figure 5). Les ingrédients sélectionnés (dioxyde de titane et huile) sont étalés au pinceau dans les zones d’intérêt. Ce mélange est entrainé sous l’effet des contraintes mécaniques exercées par le frottement de l’air et le cas échéant la gravité. Les surfaces inclinées étant la plupart du temps d’intérêt, la viscosité du mélange doit être suffisante pour éviter un écoulement trop rapide sous l’effet de la gravité. D’un autre côté, la viscosité ne doit pas être trop forte pour permettre au frottement de l’air d’imprimer un mouvement à l’enduit et d’épouser la topologie de l’écoulement en un temps de soufflage acceptable. De manière générale, les photos sont prises une fois la soufflerie stoppée.
 
Figure 5. Visualisation par enduit gras sur un pont de porte avions
 
Mesures dans le champ. L’anémométrie fil chaud est utilisée pour déterminer la réponse des anémomètres du navire et pour caractériser la turbulence (RMS, spectres, échelles intégrales) sur les trajectoires d’approche de l’aviation pour les porte avions, sur les spots d’hélicoptères ou le confort piétonnier pour les bateaux de croisière.
 
La mesure de la vitesse locale et de la turbulence est effectuée au moyen de fils chauds doubles en X. Les trois composantes de la vitesse sont obtenues en deux fois : le fil chaud mesure d’abord les composantes horizontale et transversale puis, après rotation de la sonde de 90°, la composante verticale et à nouveau la composante horizontale. Les mesures sont généralement réalisées dans des sections longitudinales et transversales positionnées dans les zones d’intérêt : voisinage et sillage des superstructures, échappements, ponts d’envol, etc. Elles peuvent aussi être exécutées dans des volumes parallélépipédiques pour caractériser les spots d’appontage des voilures tournantes. Toutes les mesures sont réalisées avec échappements activés à température ambiante. De la même manière, les niveaux de turbulence sont calculés. Les milliers de points de mesure sont traités et présentés sous forme de cartes de vitesse et de turbulence colorées avec superposition des vecteurs vitesse. La forme 3D du navire peut être introduite pour aider à l’interprétation (voir figure 6). La base de données est constituée dans un format facilement exportable. Elle contient l’identification des conditions d’essais, la position des points de mesure, les composantes de vitesse et les niveaux de turbulence associés.
 
Figure 6. Mesures dans le champ autour d’un porte avions, avec échappements (composante longitudinale de vitesse)
 
La métrologie optique peut aussi être utilisée pour la détermination des champs de vitesse autour du navire. L’Onera a ainsi effectué des mesures par PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) sur une frégate générique. La connaissance du champ des vitesses acquises simultanément dans une fenêtre plane permet d’appliquer des post-traitements avancés, comme la décomposition aux valeurs propres (POD) ou l’identification des structures cohérentes dans l’écoulement. La métrologie optique est principalement utilisée pour les recherches sur la physique des écoulements [7].
 
Figure 7. Champ moyen dans le plan de symétrie au dessus et en aval du pont arrière d’une frégate générique. Obtenu par PIV
 
Les champs d’écoulements expérimentaux (voir figures 6 et 7) peuvent être comparés à des données de simulations CFD qui complètent qualitativement et quantitativement les bases de données expérimentales (voir figure 8). Actuellement, les simulations RANS fournissent une bonne estimation des topologies d’écoulements et des zones décollées. Pour ce qui concerne l’évaluation quantitative des niveaux turbulents, les modélisations telles que la LES ou la ZDES sont nécessaires, leur apport précis étant toujours en cours d’évaluation au travers d’exercices de validation. Actuellement, les approches couplant activités expérimentale et numérique sont de plus en plus souvent proposées afin d’en exploiter la complémentarité.
 
Figure 8. Exemples de champs simulés par CFD RANS autour d’une frégate
 
Comportement du panache. Les essais relatifs à l’étude du panache mettent en œuvre soit des gaz à température ambiante, soit des gaz chauds à la température des conditions réelles d’utilisation du navire. Dans ce dernier cas, la masse volumique du gaz est voisine de celle du panache réel. Le panache est matérialisé en utilisant des techniques de visualisation avec ou sans plan laser. Des mesures de températures et de concentration réalisées en des points préalablement spécifiés complètent le diagnostic.
 
Les visualisations de panache sont obtenues soit en introduisant un canal d’amenée de fumée dans une chambre localisée en amont des cheminées, soit par vaporisation de gouttelettes d’huile à la sortie des tuyaux d’échappement. Cette vaporisation rendant le panache visible, il peut alors être filmé et faire l’objet d’une analyse (taille, trajectoire). Cependant, ces visualisations n’informent pas sur la “dilution” des fumées par le vent relatif, mais montrent les zones contaminées ainsi que l’importance relative de la pollution locale.
 
Pour les mesures de concentration, du dioxyde de carbone est introduit dans le panache par la chambre située en amont de la sortie des cheminées. Le gaz est capté en différents points de mesure dans les zones d’intérêt, puis analysé de manière à extraire la concentration du gaz traceur. Il est ainsi possible de quantifier les concentrations de polluants réels et leurs conséquences sur l’activité humaine.
 
Des thermocouples sont positionnés sur la maquette ou sur un robot porte sondes pour déterminer la température locale. Ces valeurs sont comparées aux températures d’éjection des cheminées. Les mesures de température sont réalisées de manière à évaluer les risques pour les équipements électroniques, généralement peu tolérants aux environnements surchauffés. Les résultats sont comparés aux recommandations des fournisseurs de ces équipements ou à des normes spécifiques comme par exemple l’appontage d’hélicoptères [8] ou bien la sûreté.
 
 
 
Retrouvez la 2ème partie de cet article dans quelques semaines.
 
 
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.
 
 
Onera – the french aerospace lab – 59045 Lille

christophe.verbeke@onera.frbruno.mialon@onera.fr
 

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