Academic literature on the topic 'Navires – Manoeuvrabilité'

A numerical procedure to predict the manoeuvrability of a ship based on Reynolds Averaged Navier Stokes simulations is described together with some recommended practices to obtain feasible results. The paper is dedicated to surface ships in unrestricted waters where usually only four degrees of freedom (DoF) are relevant. An example for a tanker shows the capability of the proposed method.

High speed aerospace applications require rapid control of thrust (i.e. thrust vectoring) in order to achieve better manoeuvrability. Among the existing technologies, shock vector control is one of the efficient ways to achieve thrust vectoring. In the present study, bypass mass injection (passive control) was used to generate shock vectoring in a planar supersonic Converging-Diverging (CD) nozzle. Two diffenrent bypass lines were used to inject mass in the diverging section varying their dimension in the span wise direction (10 mm ×10 mm2 square channel and 2.68 mm×38 mm2 rectangular channel) in such a way that, the mass flow ratio in both the case remain the same (4.9%) in order to compare the effect of bypass channel dimension in the resulting thrust vector angle and thrust performance. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with k-omega SST turbulence model have been implemented through numerical computations to capture the three-dimensional steady characterstics of the flow field. Results showed a significant change in the shock structure with the fromation of recirculation zone near the bypass injection port in both the case with a variation of shock structure and thrust performance for different geometry bypass lines. It was found that, thrust vector angle increases as injection length increases in the span wise direction.

Purpose This paper aims to present the novel methodology of computational simulation of a helicopter flight, developed especially to investigate the vortex ring state (VRS) – a dangerous phenomenon that may occur in helicopter vertical or steep descent. Therefore, the methodology has to enable modelling of fast manoeuvres of a helicopter such as the entrance in and safe escape from the VRS. The additional purpose of the paper is to discuss the results of conducted simulations of such manoeuvres. Design/methodology/approach The developed methodology joins several methods of computational fluid dynamics and flight dynamic. The approach consists of calculation of aerodynamic forces acting on rotorcraft, by solution of the unsteady Reynold-averaged Navier–Stokes (URANS) equations using the finite volume method. In parallel, the equations of motion of the helicopter and the fluid–structure-interaction equations are solved. To reduce computational costs, the flow effects caused by rotating blades are modelled using a simplified approach based on the virtual blade model. Findings The developed methodology of computational simulation of fast manoeuvres of a helicopter may be a valuable and reliable tool, useful when investigating the VRS. The presented results of conducted simulations of helicopter manoeuvres qualitatively comply with both the results of known experimental studies and flight tests. Research limitations/implications The continuation of the presented research will primarily include quantitative validation of the developed methodology, with respect to well-documented flight tests of real helicopters. Practical implications The VRS is a very dangerous phenomenon that usually causes a sudden decrease of rotor thrust, an increase of the descent rate, deterioration of manoeuvrability and deficit of power. Because of this, it is difficult and risky to test the VRS during the real flight tests. Therefore, the reliable computer simulations performed using the developed methodology can significantly contribute to increase helicopter flight safety. Originality/value The paper presents the innovative and original methodology for simulating fast helicopter manoeuvres, distinguished by the original approach to flight control as well as the fact that the aerodynamic forces acting on the rotorcraft are calculated during the simulation based on the solution of URANS equations.

Un couplage entre deux méthodes complémentaires est proposé pour déterminer les efforts transversaux s'exerçant sur une carène. La première méthode résout les équations de Navier-Stokes parabolisées en formulation vitesse longitudinale-vorticité longitudinale autour d'un corps élancé en dérapage. L'utilisation d'un mailleur dynamique de sections 2D permet de s'affranchir de la création et du stockage d'un maillage tridimensionnel. La résolution du problème non-linéaire est effectuée à l'aide d'une méthode itérative de minimisation du résidu discret des équations ne nécessitant pas le stockage et l'inversion d'un système linéaire. L'algorithme développe s'avère robuste et plus économique que les classiques solveurs ADI. La seconde méthode utilise le champ de vorticité obtenu par le code parabolise pour créer une approximation tourbillonnaire discrète et consistante du champ de vorticité tridimensionnel dans une méthode intégrale en imposant une forme prédéterminée aux lignes-tourbillon a la paroi. La méthode parabolisée est validée en dimension 3 sur plusieurs corps élancés dont la carène série 60. Les principaux phénomènes tourbillonnaires observes expérimentalement sont correctement reproduits.

L'estimation des performances manoeuvrières d'un navire est une étape indispensable pour garantir la sécurité d'un navire, de ses occupants et de tout ce qui l'entoure (environnement, autres navires). L'objectif de cette thèse est d'adapter un code de calcul Navier-Stokes à surface libre afin de simuler numériquement des manoeuvres de sous-marins ou de bâtiments de surface. Les premiers chapitres de ce manuscrit sont consacrés à la définition des équations de Navier-Stokes, à leur linéarisation puis à leur discrétisation, necéssaire à leur utilisation numérique. Un bref chapitre présente ensuite les différents types de topologies de maillages et expose les premiers avantages de l'utilisation de maillages multi-blocs. Les modifications apportées au code de calcul afin de prendre en compte cette nouvelle topologie de maillage sont ensuite présentées avec leurs validations associées. L'ensemble des fonctionnalités nécessaires à la simulation d'un navire autopropulsé en manoeuvre est ensuite détaillé. Le code de calcul étant voué à une utilisation industrielle, le temps de restitution des résultats doit être relativement faible. Ainsi, une description des phases d'optimisation et de parallélisation effectuées sur le code initial mono-bloc est décrite. Enfin, les deux derniers chapitres présentent, d'une part une validation effectuée sur un cas test de sous-marin (DARPA SUBOFF) sur une large gamme de configurations modèle bridé en comparaison à des valeurs de coefficients hydrodynamiques issus d'essais expérimentaux, et d'autre part des applications de manoeuvrabilité de navire (sous-marins ou bâtiment de surface) autopropulsé modèle libre (remontée feuille morte, giration, zigzag)
Estimating the performances of ship maneuverability is a necessary stage to guarantee the safety of the crew and of the surrounding environment. The objective of this PhD thesis is to adapt a free surface Navier-Stokes computational code in order to be used for a submarine or ship maneuverability modeling. The first chapters are dedicated to the definition of Navier-Stockes equations and their linearization and discretization that are used for the numerical scheme. Then, a brief chapter presents the different mesh topologies and advantages of using the multi-block meshing approach. The developments implemented into the code to take into account this innovating meshing topology are presented, as well as a the associated validation test cases. The overall functionabilities needed for an auto-propulled maneuvering ship are then detailed. The CPU time must be relatively low since the numerical code is dedicated to an industrial use. Hence, a description of optimization and parallelization stages performed on the initial single-block code is described. To conlude, the two last chapters present a validation test case end possible industrial applications enable by the developments performed. The validation test case is performes on a submarine (DARPA SUBOFF) on a wide range of fixed model configurations, and results are compared to experimental hydrdynamic coefficient. Possible configurations of submarine or ship maneuverability in auto-propolled and free model configurations are presented, such as turning cricle maneuver, pullout, zigzag. .

La manœuvrabilité des navires dépend de deux grands ensembles : (1) le navire, le système propulsif et les forces hydrodynamiques ; (2) l’influence des forces de confinement (interaction entre navire-berge/profondeur, navire-navire,. . ), de perturbation d’environnement (vent, courant,. . ), et du phénomène de grand instabilité du roulis. L’objectif de cette thèse de doctorat porte tout d’abord sur la modélisation et la simulation de la manœuvrabilité du navire, ensuite sur l’identification des coefficients hydrodynamiques prépondérants à partir des essais en mer, et sur la simulation et l’analyse de l’influence de confinement, des perturbations d’environnement et du roulis
Ship manoeuvring depends on two sets : (1) ship, propulsive system and hydrodynamic forces ; (2) influence of environmental perturbation forces (wind, current,. . ), of confined interaction (ship-bank/bottom, ship-ship,. . ) and parametric roll. The objectives of this PhD thesis focus firstly on ship manoeuvring modeling and simulation, then on preponderant hydrodynamic coefficient identification from sea trials, and finally on simulation and analysis of environmental perturbation influence and of roll

Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre et le coût du transport maritime, l'utilisation des cerfs-volants comme système de propulsion auxiliaire des navires est prometteuse. Pour estimer les performances et l’opérabilité d’un navire tracté par cerf-volant, une modélisation dynamique du système est alors mise en oeuvre. Une modélisation analytique de cerf-volant est utilisée. Ce modèle néglige la masse du cerf-volant et suppose que les lignes sont droites et indéformables. Ces hypothèses conduisent à un modèle cinématique dépendant du coefficient de portance et de la finesse aérodynamique. Une évolution linéaire des coefficients aérodynamiques en fonction de la courbure de la trajectoire de vol est proposée. Par ailleurs, en développant un modèle quasi analytique de ligne, il est montré qu’à partir de 2 m.s-1 de vent relatif que l’hypothèse de ligne droite est raisonnable. En se basant sur un modèle de ligne, un critère analytique de vitesse de vent minimum permettant un vol quasi-statique est présenté. Dans le but de résoudre l’ensemble des termes d’interaction entre le cerf-volant et le navire, un modèle linéarisé de tenue à la mer temporelle est développé. Le produit de convolution de la réponse impulsionnelle du navire est calculé avec des systèmes d’états. Cependant comme celle-ci représente mal les mouvements horizontaux des navires, le modèle développé est alors couplé à un modèle de manoeuvrabilité. Pour étudier les interactions entre le cerf-volant et le navire un couplage monolithique et un couplage dissocié sont comparés. Le couplage dissocié néglige l’influence des mouvements du navire sur le vol du cerf-volant. En cas de mer calme, les résultats obtenus par les deux types de couplage sont très proches. En cas de houle régulière les mouvements du navire sont principalement causés par la houle. Le couplage monolithique montre qu’un réseau de sous-harmoniques basse fréquence apparait alors dans le spectre d’excitation du navire. La fréquence fondamentale des sous-harmoniques est donnée par la différence entre la fréquence de vague et la fréquence de l’harmonique la plus proche de l’excitation du kite. Quand cette différence est suffisamment petite, un phénomène d’accrochage apparait. Ce phénomène est bénéfique pour le cerf-volant et le navire quand le décalage des harmoniques d'excitation correspond à une augmentation. Par ailleurs, une étude de la stabilité de route montre qu'il est nécessaire de contrôler activement le safran
In order to reduce greenhouse gas emissions and shipping costs, the use of kites as an auxiliary propulsion device for ships is promising. In order to estimate the performance and the operability of a kite-towed vessel, a dynamic modeling of the system is implemented. A classical kite modeling is used. This model neglects the mass of the kite and assumes straight and inelastic tethers. These assumptions lead to a kinematic model depending on the lift coefficient and the aerodynamic lift to drag ration angle. A linear evolution of these aerodynamic coefficients as a function of the curvature of the flight path is proposed. In addition, by developing a quasi-analytical line model, it is shown that from 2 m.s-1 of relative wind the straight tether assumption is reasonable. Based on the tether model, an analytical criterion assessing the minimum wind speed to enable a quasi-static kite flight is developed. To solve all the interaction terms between the kite and the ship, a time domain seakeeping model based on the linearized ship equation of motion assuming a potential flow is developed. The convolution product of the impulse response of the ship is computed with state-space systems. However, since horizontal ship motions are not well represented by such theories, a coupling with a maneuvering model is presented.Comparisons to experimental data tests show good agreements. To study the interactions between the kite and the ship, a monolithic coupling and a dissociated coupling are compared. The dissociated coupling neglects the influence of ship motions on the kite flight. In a calm water case, results obtained by the two types of coupling are very close. In regular waves, ship motions are dominated by the wave influence. Thus, with the monolithic coupling, a network of low frequency subharmonic appears in the kite excitation spectrum. The fundamental frequency of the subharmonic is given by the difference between the wave frequency and the frequency of the nearest kite excitation harmonic. When this difference is small enough, a lock-in phenomenon appears. This phenomenon is a benefit for the kite and the ship when the shift of the excitation harmonics corresponds to an increase. Furthermore, a course keeping stability study shows that the rudder needs to be actively controlled

Dans cette thèse, l'hydrodynamique des navires lors du transport par voies navigables et des manœuvres sont étudiées à l'aide de la CFD (Computational Fluid Dynamics) basée sur OpenFoam. Des études de validation et de vérification sont réalisées pour la convergence de maillage, la convergence de pas de temps, la sensibilité aux modèles de turbulence et les techniques de maillage dynamique. Un solveur de mouvement 6DoF basé sur quaternion est mis en œuvre pour les prédictions d'assiette et d'enfoncement. Les effets environnementaux sur plusieurs bateaux de navigation intérieure (convoi 1, convoi 2, automoteur) sont étudiés à l'aide de modèles numériques validés. Trois aspects importants sont simulés: l'effet de confinement de la voie navigable, le croissement et l'interaction bateau-pile de pont. Les conditions d’essai couvrent un large éventail, y compris les différentes dimensions du canal, la profondeur de l’eau, le tirant d'eau et la vitesse. La résistance du navire, le type de vague, l’angle de Kelvin et l’élévation de la vague à des positions spécifiques sont étudiés en fonction de ces paramètres. La manœuvre des navires est étudiée à l’aide de tests de modèles captifs virtuels basés sur le modèle MMG (Mathematical Maneuvering Group). Un disque d'actionneur est implémenté pour remplacer l'hélice réelle. Les tests d'un modèle KVLCC2 sont effectués pour obtenir les coefficients hydrodynamiques de l'hélice, du gouvernail et de la coque du navire. En utilisant les coefficients obtenus, des simulations de manœuvre sont effectuées et validées. Ces études reproduisent des tests de navires réels et prouvent ainsi la validité de nos modèles numériques. En conséquence, le solveur numérique est prometteur dans les simulations d'hydrodynamique des navires et d'ingénierie marine
In this thesis, the ship hydrodynamics during inland waterway transport and ship maneuvering are investigated using CFD (Computational Fluid Dynamics) based onOpenFoam. Validation and verification studies are carried out for the mesh convergence, time step convergence, sensitivity to turbulence models and dynamic mesh techniques. A quaternion-based 6DoF motion solver is implemented for the trim and sinkage predictions. Environmental effects on several inland vessels (convoy 1, convoy 2, tanker) are studied using the validated numerical models. Three important aspects, the confinement effect of the waterway, head-on encounter and ship-bridge pile interaction are simulated. The testing conditions cover a wide range, including various channel dimensions, water depths, ship draughts and speeds. The ship resistance, wave pattern, Kelvin angle and wave elevation at specific positions are investigated as functions of these parameters. Ship maneuvering is investigated using virtual captive model tests based on the MMG (Mathematical Maneuvering Group) model. An actuator disk is implemented to replace the real propeller. Open water test, rudder force test, OTT (Oblique Towing Tank test) and CMT (Circular Motion Test) of a KVLCC2 model are carried out to obtain the hydrodynamic coefficients of the propeller, rudder and ship hull. Using the obtained coefficients, system-based maneuvering simulations are carried out and validated using the free running test data. These studies reproduce real ship tests and thus prove the validity of our numerical models. As a result, the numerical solver is promising in ship hydrodynamics and marine engineering simulations

Le transport par voies navigables joue aujourd'hui un rôle important grâce aux divers avantages qu'il présente par rapport aux autres modes de transport, par exemple son faible coût, sa faible pollution environnementale et sa grande capacité, etc. Cependant, les voies navigables intérieures ne sont pas seulement naturellement courbées, mais aussi étroites et peu profondes, ce qui entraîne des environnements d'écoulement et des conditions de navigation complexes. Les bateaux de navigation intérieure sont donc susceptibles d'avoir des accidents dans les voies d'eau à courbure limitée. Ces dernières années, ce mode de transport a connu des progrès significatifs avec l'arrivée de la nouvelle génération de navires (plus grands et plus puissants), ce qui rend la manœuvrabilité des navires plus difficile dans ces eaux sensibles. Pour réaliser cette étude, le modèle CFD basé sur un solveur Navier-Stokes instationnaire dans STARCCM+ est utilisé. La vérification et la validation de ce modèle sont réalisées en respectant les recommandations du CTI. Ce dernier est ensuite utilisé pour effectuer une série de simulations en testant les paramètres clés suivants : une série de paramètres environnementaux de navigation, comprenant l'angle du chenal, la largeur du fond du chenal, l'angle de pente du chenal ; une série de paramètres liés au comportement et à la géométrie du navire, contenant le rapport entre la profondeur d'eau et le tirant d'eau, la vitesse du navire, l'angle de dérive et le type de navire (longueur du navire) sur l'hydrodynamique du navire dans les chenaux courbes restreints. Les mouvements du cadre relatif sont appliqués aux domaines de calcul pour produire la force centrifuge dans les chenaux courbés. L'objectif de la présente thèse est d'abord de caractériser les variables liées à la topologie d'un canal circulaire qui ont un impact substantiel sur la manœuvrabilité d'un navire. Deuxièmement, elle permet de bien comprendre les comportements d'écoulement qui se produisent autour d'un navire dans les zones de flexion. Troisièmement, les fluctuations de la force hydrodynamique (phénomènes de coussin de berge et de succion) et la sensibilité d'un certain nombre de variables dans les zones de flexion sont étudiées. Enfin, le simulateur de navire intérieur est amélioré en ajoutant l'effet de zone de flexion pour les pilotes, de sorte que les comportements des navires dans les régions sensibles peuvent ainsi être corrigés
Inland waterway transport is now playing a significant role thanks to its various advantages over the other transportation modes, for example, low cost, low environmental pollution, and large capacity, etc. However, inland waterways are not only naturally curved but also narrow and shallow, which causes complex flow environments and navigational conditions. Inland ships are consequently susceptible to accidents in restricted curved waterways. Especially during these years, this mode of transport has seen significant progress by the arrival of the new generation of ships (larger size and more powerful), and this makes ships’ maneuverability in such sensitive waters severer. To conduct this investigation, the CFD model based on an unsteady Navier-Stokes solver in STARCCM+ is used. The verification and validation of this model are realized by respecting the ITTC recommendations. The latter is then used to perform a series of simulations by testing the following key parameters: a series of navigational environmental parameters, including channel angle, channel bottom width, channel slope angle; a set of parameters related to ship behaviors and geometry, containing water depth to draft ratio, ship speed, drift angle and ship type (ship length) on ship hydrodynamics in restricted curved fairways. Relative frame motions are applied to the computational domains to produce centrifugal force in bending fairways. The aim of the present thesis is firstly to characterize the variables connected to a circular channel's topology that have a substantial impact on a ship's maneuverability. Second, it helps to well understand the flow behaviors that occur around a ship in bending zones. Thirdly, the fluctuations in hydrodynamic force (bank cushion and suction phenomena) and the sensitivity of a number of variables in bending zones are investigated. Finally, the inland ship simulator is improved by adding the bending zone effect for pilots, so that the behaviors of ships in the sensitive regions can thus be corrected

Abstract In ship manoeuvrability, the crabbing test is critical to evaluate the hydrodynamic quantities for the guidance of an efficient and safe berthing or unberthing manoeuvres. In the present study, the crabbing performance of a cruise ship is investigated by an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) method considering the instantaneous relative motion between the ship and the quay. In the numerical simulations, the cruise ship is approaching the quay wall at a constant lateral speed. The crabbing motion with five degrees of freedom is modeled by the dynamic overset mesh technique, while the free surface elevation is simulated by the Volume of Fluid method. For reliable predictions of the crabbing performances, the timestep dependency study is conducted and a suitable time step is determined. From the computations, the hydrodynamic performances of the cruise ship, including forces and moments, as well as the surge, sinkage, roll, trim and yaw motions are predicted. The numerical results indicate variations of the hydrodynamic quantities under the impacts of ship speed and blockage effects by the quay wall. The present results can be used to evaluate the crabbing ability of the cruise ship and to provide guidance for estimating and designing the crabbing model test in further investigations.

Aiming at establishing an effective computational framework to accurately predict free-flying dynamics and aerodynamics we here present a comprehensive investigation on some issues associated with the modelling of free flight. Free flight modelling/simulation is essential for some types of flights e.g. falling leaves or auto-rotating seeds for plants; unsteady manoeuvres such as take-off, turning, or landing for animals. In addition to acquiring the deeper understanding of the flight biomechanics of those natural organisms, revealing the sophisticated aerodynamic force generation mechanisms employed by them may be useful in designing man-made flying-machines such as rotary or flapping micro air vehicles (MAVs). The simulations have been conducted using the coupling of computational fluid dynamics (CFD) and rigid body dynamics, thus achieving the free flight. The flow field is computed with a three-dimensional unsteady incompressible Navier-Stokes solver using pseudo-compressibility and overset gird technique. The aerodynamic forces acting on the flyer are calculated by integrating the forces on the surfaces. Similarly, the aerodynamic torque around the flyer’s centre of mass is obtained. The forces and moments are then introduced into a six degrees-of-freedom rigid body dynamics solver which utilises unit quaternions for attitude description in order to avoid singular attitude. Results are presented of a single body model and some insect-like multi-body models with flapping wings, which point to the importance of free-flight modelling in systematic analyses of flying aerodynamics and manoeuvrability. Furthermore, a comprehensive investigation indicates that the framework is capable to predict the aerodynamic performance of free-flying or even free-swimming animals in an intermediate range of Reynolds numbers (< 105).