Essais & Simulations n°126

essais et modélisation

essais et modélisation Moyens d’essais Cap sur le navire du futur En lançant cette année une chaire internationale consacrée à la recherche en hydrodynamique et en structures marines, centrale Nantes et bureau veritas comptent bien relever ensemble les défis qui attendent la filière navale mondiale. Créée en partenariat avec deux start-up nantaises – HydrOcean et Nextflow Software* –, la nouvelle chaire internationale a un but : accroître significativement la sécurité et les performances du navire du futur. Des thèmes d’autant plus d’actualités que marché du transport maritime mondial ne cessent de croître avec près de 50 000 navires transportant 9 milliards de tonnes par an ; il atteindrait 2 000 Md€ en 2020. De plus, de nouveaux enjeux en matière de conception, de design, de performance des navires et des structures en mer, mais aussi en termes de consommation, d’environnement et de respect des normes de sécurité, vont résolument faire évoluer les navires. C’est là qu’interviennent Centrale Nantes et le Bureau Veritas avec le soutien d’HydrOcean et de Nextflow Software, tous associés au sein de la chaire Hydrodynamique et structures marines pour le navire du futur. Une qUESTION de moyens Afin de mener à bien ce programme de R&D d’un montant total de 7,5 M€ (sur dix ans), les quatre partenaires vont mettre en œuvre leurs expertises à travers d’importants moyens d’essais et de simulation. Parmi eux, des bassins océaniques permettant de simuler des conditions de tempêtes extrêmes (houles générées les plus fortes d’Europe) sur des maquettes. À ces moyens d’essais sont associés des logiciels de simulation numérique « maison » développés par Centrale Nantes, Bureau Veritas, HydrOcean et Nextflow, ainsi que des moyens de calculs intensifs ; les chercheurs auront notamment recours au supercalculateur de 10 000 cœurs qu’abrite l’école d’ingénieurs. ALLIEr SIMULATION numérique et expérIMENTA- TIONS hydrodynamiques Placés sous la direction de David Le Touzé, professeur à Centrale Nantes et titulaire de la chaire, les travaux auront pour objectif de réaliser des avancées scientifiques et techniques dans la modélisation numérique et expérimentale de problématiques hydrodynamiques et hydrostructurelles dans le domaine maritime. Les trois axes de R&D s’orienteront vers la sécurité des navires (effets de green water, réponse hydrostructurelle de la poutre navire aux efforts de slamming dans la houle, les interactions houle-structure extrêmes et non linéaires, la simulation d’envahissement…), les corps en interactions et les liaisons souples (comportement des navires à couple soumis à la houle et au vent, modélisation des ancrages, phénomènes basse fréquence sur houle irrégulière…) et, enfin, la performance sur houle ; ce dernier axe abordera – notamment – l’estimation de la résistance et de la puissance ajoutées sur houle, les qualités nautiques dans la houle (incluant la manœuvrabilité sur houle) ou encore les coefficients d’amortissement sur houle. ● Olivier Guillon Un des moyens d’essais significatifs de Centrale Nantes : le bassin de houle Exemple de simulation aérodynamique pour déterminer les efforts d’ancrage et les risques d’explosion * Créées au sein de Centrale Nantes, HydrOcean et Nextflow Software sont deux start-up respectivement spécialisées dans l’évaluation et l’optimisation des performances des navires et unités offshore, et dans l’édition de logiciels de mécanique des fluides. 26 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • Octobre -Novembre 2016

essais et modélisation en application La mécanique des fluides numériques à la rescousse des concepteurs de navires Les réglementations environnementales et de sécurité compliquent l’activité de la classification maritime. Expert scientifique en chef de l’American bureau of Shipping (AbS), richard Korpus explique en quoi la mécanique des fluides numériques permet de relever des défis très divergents au niveau de la conception des navires. Nombre d’organisations telles que l’Organisation maritime internationale (OMI), les garde-côtes nationaux et les autorités portuaires régionales, imposent des réglementations destinées à assurer la sécurité des cargaisons, des personnes et de l’environnement. Ces réglementations changent régulièrement, et les sociétés de classification – telles que l’ABS – doivent réagir rapidement. Spécialisé dans la mécanique des fluides numériques (MFN), Richard Korpus présente dans cet article la manière dont la MFN influence l’activité technologique maritime de l’ABS en donnant aux concepteurs, aux propriétaires et aux opérateurs le moyen d’optimiser la consommation de carburant des navires et de limiter leur impact environnemental tout en maintenant les plus hauts niveaux de sécurité. Exemple de bonnes pratiques avec l’optimisation d’une hélice. OpTIMISATION concEpTUELLE Pour améliorer l’efficacité opérationnelle d’un navire, il est nécessaire de s’occuper simultanément de la résistance de sa carène, de l’efficacité de sa propulsion et des performances de son moteur. Chacun de ces éléments affecte les autres, et le processus est rendu encore plus difficile lorsque plusieurs objectifs d’optimisation sont de nature contradictoire. Par exemple, réduire la taille du moteur principal peut améliorer l’efficacité générale en termes de réduction de la consommation de carburant des émissions de gaz à effet de serre, mais entre en conflit avec les exigences de sécurité liées à la réserve de puissance suffisante. Sans réserve de puissance adéquate, un navire peut être confronté à des problèmes de manœuvrabilité en cas d’augmentation des effets du vent et de la houle. Dans ce cas, l’optimisation requiert un équilibre subtil entre économies et sécurité ou, pour le moins, des contraintes d’inégalités destinées à assurer des valeurs minimales acceptables pour chaque objectif. Figure 1. Simulation STAR-CCM+ d’un modèle autopropulsé à des fins d’optimisation de l’hélice Défi le pLUS durabLE : concEpTION de l’hélice via une SIMULATION à grande échelle Bien que la conception de l’hélice soit l’un des facteurs les plus importants pour l’efficacité opérationnelle, elle est exécutée plus ou moins de la même manière depuis des décennies. Le problème est en effet difficile, dans la mesure où l’hélice fonctionne dans un sillage visqueux qui varie à la fois sur le plan spatial et sur le plan temporel. Généralement, un essai sur modèle est réalisé sans l’hélice. Le sillage est mesuré puis extrapolé à grande échelle. Le résultat est moyenné sur le plan circonférentiel à chaque rayon afin d’assurer la régularité des écoulements, et l’hélice est conçue pour ces conditions. Grâce à l’optimisation et à la MFN modernes, il n’est cependant plus nécessaire de tolérer les inexactitudes des extrapolations ou les présomptions relatives à la régularité des écoulements. L’hélice peut être conçue ou optimisée à grande échelle, in situ à l’arrière du navire, même lorsque le sillage est instable et varie dans les trois dimensions. Dans le cas d’une conception développée à grande échelle l’étude MFN même instable sera plus efficace grâce à la prise en compte précise de l’interaction de l’hélice avec la carène, et peut contribuer à réduire les forces instationnaires (vibrations), les charges désaxées et la cavitation. ESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • Octobre-Novembre 2016 I 27