Essais & Simulations n°126

essais et modélisation

essais et modélisation La figure 1 illustre une simulation typique de navire autopropulsé et la figure 2 les types des écoulements en amont de l’hélice (sillage de la carène) qui résultent de différentes hypothèses de modélisation. La figure 2 illustre la gravité des inexactitudes escomptées en cas d’utilisation de données d’essai non propulsé ou sur modèle pour prédire les réels de l’hélice. Notons qu’un sillage à l’échelle de modèle n’a rien à voir avec son équivalent à grande échelle. De la même manière, le sillage normal (sans hélice) n’a rien à voir avec le sillage réel (avec hélice). Un essai sur modèle fournit des données telles qu’illustrées par la figure en haut à gauche, mais les conditions d’exploitation pour lesquelles une hélice devrait être conçue apparaissent dans la figure en bas à droite. Figure 2. Prédictions MFN du sillage : effet d’échelle (gauche) et effet de l’hélice (droite) Pour démontrer les avantages de la conception par MFN, les ingénieurs de l’ABS ont exploité les techniques STAR-CCM+ de maillage glissant et de grilles superposées pour simuler des hélices en rotation dans le sillage réel instationnaire de la carène à grande échelle. L’offre d’optimisation HEEDS de CD-adapco a été employée dans le cadre de recherches dans l’espace de conception, et différents paramètres ont été testés tels que les distributions radiales de l’angle d’attaque, de la corde, du rake et du skew. L’algorithme SHERPA du logiciel HEEDS est employé pour identifier la conception nécessitant une puissance minimale sur l’arbre à une poussée prescrite. Chaque élément du logiciel est illustré par le schéma de la figure 3. Figure 3. Processus automatisé du logiciel HEEDS pour l’optimisation de la conception de l’hélice Les conceptions dans le monde réel sont compliquées par le phénomène de cavitation. Si la pression tombe en dessous du point thermodynamique d’ébullition, l’eau s’évapore. Avec une pression suffisamment basse (telle que sur une pale d’hélice à coefficients de portance élevés), ce phénomène peut se produire à n’importe quelle température. Lorsque la pression augmente de nouveau, le processus s’inverse et la vapeur se condense, parfois violemment. Les condensations les plus violentes peuvent même entraîner l’érosion de pales en métal massif. Il convient par ailleurs de noter que toutes les « bonnes » conceptions ne sont pas égales. Deux pales ayant une portance et une traînée totales égales peuvent présenter différents niveaux de cavitation suivant les répartitions locales de la pression. La figure 4 donne un exemple de cavitation et de problèmes de cavitation. Les optimisations de conception de l’ABS permettent d’éviter ces problèmes en contrôlant la pression minimale sur la surface des pales pour chaque conception et en repassant les résultats dans HEEDS pour une contrainte d’inégalité. Une cavitation excessive est évitée en ne laissant pas la pression de surface minimale descendre en dessous d’un point de référence acceptable. DéMONSTrATION : approche à objectif unique La méthode est démontrée pour un navire de transport de GNL à double hélice à une seule vitesse et pour une seule cargaison. La carène reste inchangée, et l’hélice est paramétrée pour des répartitions radiales variables de l’angle d’attaque et de la corde. Une fois la conception de base résolue, l’algorithme SHERPA du logiciel HEEDS applique une combinaison de méthodes d’optimisation fondées sur la population et sur les gradients pour explorer tout l’espace de conception. Chaque conception est testée à plusieurs vitesses de l’arbre, et la fonction « objectif » (puissance sur l’arbre) est choisie pour la vitesse qui délivre la poussée prescrite. La pression minimale sur la surface des pales est identifiée au point d’équilibre après une révolution complète, et le résultat est renvoyé au logiciel HEEDS pour obtenir la contrainte d’inégalité de la cavitation. 28 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • Octobre -Novembre 2016

essais et modélisation Figure 4. Tourbillon en bout de pale et cavitation sur l’intrados (droite), et problème de cavitation (gauche) Le niveau d’amélioration possible dépend de la manière dont une conception est paramétrée et du nombre d’évaluations de conceptions autorisées. Dans le présent exemple, les répartitions radiales de l’angle d’attaque et de la corde sont définies par cinq paramètres, et SHERPA est autorisé à réaliser 150 évaluations de conceptions. L’hélice de base a été obtenue auprès d’un concepteur expérimenté qui avait déjà optimisé l’unité à l’aide de technologies d’analyse existantes. Les résultats sont résumés dans la restitution du logiciel HEEDS illustrée par la figure 5. Même pour cet exemple relativement restrictif, les ingénieurs de l’ABS ont dégagé des réductions de puissance d’environ 2,0 %, ce qui, pour les navires les plus imposants, correspond à des économies annuelles de 500 000 USD. Mais, comme le souligne le Dr Korpus, « les Plate-Forme Technologique MASMECA Du MAtériau à la Structure, Mécanique expérimentale Avancée Moyens d’essais inédits couvrant une très large gamme d’effort, de vitesse de sollicitation et de température Nombreux partenaires industriels dans toute la France et tous les domaines Essais de caractérisation mécanique 5 plateaux techniques • caractérisation dynamique • caractérisation thermomécanique • caractérisation physicochimique • mesures et observations • prototypage protypage de la microstructure à l’échelle 1 Une équipe d’experts associés aux chercheurs de l’Institut de recherche Dupuy de Lôme CNRS FRE 3744 UBS, ENSTA Bretagne, UBO, ENIB www.masmeca.fr - younes.demmouche@ensta-bretagne.fr - tél. +33 (0) 298 348 940 ESSAIS & SIMULATIONS • N° 126 • octobre-novembre 2016 I 29