Littérature scientifique sur le sujet « Hydrodynamique des navires »

The linear stability of parallel shear flows of incompressible viscous fluids is classically described by the Orr–Sommerfeld equation in the disturbance streamfunction. This fourth-order equation is obtained by eliminating the pressure from the linearized Navier–Stokes equation. Here we consider retaining the primitive velocity-pressure formulation, as is required for general multidimensional geometries for which the streamfunction is unavailable; this affords a uniform description of one-, two-, and three-dimensional flows and their perturbations. The Orr–Sommerfeld equation is here discretized using Python and scikit- fem, in classical and primitive forms with Hermite and Mini elements, respectively. The solutions for the standard test problem of plane Poiseuille flow show the primitive formulation to be simple, clear, very accurate, and better-conditioned than the classical. References L. Allen and T. J. Bridges. Numerical exterior algebra and the compound matrix method. Numer. 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Pour dimensionner le gouvernail il faut donc pouvoir estimer avec une précision raisonnable les efforts hydrodynamiques qu'il engendre dans cette configuration or l'approche classique consistant à remplacer l'action de l'hélice par un disque moteur ne donne une approximation raisonnable que si l'hélice n'est que modérément chargée. Grâce à un apport de travaux antérieurs, trois méthodes de couplage par champs de vitesses induites entre un code potentiel corps épais et un solveur Navier-Stokes ont été développées pour simuler l'écoulement stationnaire et instationnaire autour des deux appendices. On vérifie par comparaison avec des résultats expérimentaux disponibles que les différentes méthodes donnent des résultats satisfaisants. La souplesse et la rapidité relative du calcul et de sa mise en œuvre permet la simulation de nombreuses configurations. Un certain nombre de configurations différentes sont simulées en régime instationnaires afin de mettre en évidence l'influence des paramètres géométriques sur les coefficients hydrodynamiques du gouvernail travaillant dans le sillage du propulseur
In order to determine the dimensions of the rudder, a reasonably accurate prediction of the hydrodynamic forces generated by this configuration should be made. Several methods were developed to simulate this interaction by coupling the potential code and the RANS code. The obtained results are in good agreement with available experimental results. Moreover, the computational speed allows a parametric analysis of the interaction (rudder position, propeller load, etc. ) to be carried out. Several configurations are simulated in the unsteady state mode in order to estimate the influence of geometric parameters on the hydrodynamic coefficients of a rudder operating in the propeller slipstream

L'objet de ce travail est de determiner l'ecoulement autour d'un corps se deplacant d'un mouvement rectiligne uniforme dans une eau initialement au repos. Dans un cadre d'ecoulement irrotationnel de fluide parfait, ce probleme est connu sous le nom de probleme de resistance de vagues. Les methodes usuelles de la theorie potentielle en domaine borne mettent en evidence deux situations tres differentes suivant que le corps est immerge sous la surface de l'eau ou perce cette derniere. Dans le premier cas, nous montrons par des techniques variationnelles que le probleme est toujours bien pose sauf peut-etre pour un nombre discret de valeurs de la vitesse du corps eventuellement complexes, appelees resonances. Des calculs numeriques de resistance de vagues illustrent ces resultats. Dans la seconde situation, des questions theoriques et numeriques tres difficiles apparaissent. On s'est essentiellement consacre a la mise au point d'une technique de discretisation originale permettant en theorie d'obtenir des resultats numeriques pour le cas du corps percant la surface de l'eau. Dans la pratique, cette methode ne permet de contourner qu'une partie, certes importante, des difficultes et necessite le recours a une methode spectrale complementaire

Le travail présenté dans ce manuscrit est dédié à l’analyse et la modélisation des efforts hydrodynamiques s’exerçant sur des carènes dont le mode de propulsion impose des mouvements non stationnaires de cavalement, pilonnement, tangage et lacet. Les recherches sont menées sur des bateaux de compétition à propulsion humaine et plus particulièrement les bateaux d’aviron et les kayaks. Le code ICARE3D utilisé pendant cette étude est validé grâce à des essais en bassin originaux menés sur une carène de skiff en mouvements de cavalement stationnaire et instationnaire. La procédure V\&V (Verification and Validation) est appliquée avec succès dans ce contexte. Au cours de la deuxième partie, les méthodes de plan d'expériences (MPE) numériques et de krigeage sont mise en oeuvre. Elle est utilisée dans le cadre de cette thèse d’une façon qualitative afin de décrire les influences de différents facteurs comme la fréquence, l’amplitude, le déplacement ou l’assiette sur le coefficient de traînée. Les calculs sont réalisés en bassin ou en milieu infini afin de caractériser les effets dus au confinement sur les efforts hydrodynamiques. A l’issu de la deuxième partie, un simulateur couplant la mécanique de l’aviron au code de calcul ICARE3D est réalisé et utilisé dans le cadre d’un plan d’expériences. Dans la continuité de cette approche, la troisième partie décrit l’ensemble des outils développés dans le cadre d’un processus d’optimisation de forme de carène. Des algorithmes stochastiques sont couplés à des métamodèles afin d’accélérer la vitesse de convergence et réduire les temps de calcul. Deux exemples d'applications originales en hydrodynamique sont proposés
The work presented in this memoir deals with the modelization of the hydrodynamical loads acting on ship hull with unsteady surge, heave and pitch motions. This study focuses on competitive rowing boats and kayaks. In the first part, the Navier-Stokes code ICARE3D is used and validated with original towink tank experiments on a rowing boat with both steady and unsteady surge motions. The V&V (Verification and Validation) procedure is then applied with success. In the second part, the kriging and the design of experiments methodologies (DOE) are implemented and applied. The DOE is used in both qualitative and quantitative ways to determine the influent factors like frequency, amplitude, displacement or trim on the total drag coefficient. Both open sea and basin configurations are considered for the numerical simulations. At the end of this part, the complete rowing system obtained by coupling mechanics and hydrodynamics solvers is tested and and used in a DOE procedure. Finally, a set of tools implemented in this work that unable us to perform shape optimization is described. In order to reduce CPU time during optimization, stochastic algorithms are coupled with surrogate models. Two optimization examples are given in naval hydrodynamic

Le problème considéré dans ce mémoire a trait au comportement sur houle irrégulière des structures flottantes opérant en relativement faible profondeur d’eau. Une situation de référence est un terminal méthanier, où les navires viennent se charger ou décharger de GNL (Gaz Naturel Liquéfié). La consommation mondiale de gaz étant en augmentation constante, et les pays producteurs éloignés des pays consommateurs, le transport de GNL par navires méthaniers est en forte croissance. De plus en plus fréquemment, faute d’espace et pour des raisons de sécurité, les terminaux ne sont plus en zone portuaire mais déportés au large, en mer ouverte, dans des profondeurs d’eau de 15 à 30 mètres. Les systèmes d’amarrage des navires doivent suffisamment restreindre leur mouvement pour permettre leur (dé)chargement, même pour des états de mer de quelques mètres de hauteur significative. Typiquement les périodes propres des mouvements horizontaux des méthaniers amarrés se situent entre 30 et 100 secondes : ceci signifie que non seulement leur réponse linéaire à la houle mais aussi leur réponse dite de ”deuxième ordre à basse fréquence” doit être correctement prédite dans le dimensionnement du système d’amarrage (aussi ères, ducs d’Albe, etc. ). L’industrie pétrolière offshore a maintenant acquis un grand savoir-faire dans le dimensionnement des systèmes d’ancrage en grande profondeur, pour ses unités de forage et de production. Il est rapidement apparu que les outils numériques développés pour ces applications n’étaient pas transposables au cas des terminaux méthaniers en zone côtière. En particulier des écarts importants ont été observés entre les prédictions des modèles numériques et les mesures faites en bassin d’essais, sur le comportement basse fréquence (aux fréquences propres du mouvement horizontal) du navire amarré. La raison la plus souvent invoquée de ces écarts est associée à la bathymétrie : la houle incidente évolue depuis le large sur des fonds variables, en profondeur d´ecroissante. Les variations bathymétriques sont le plus souvent lentes, avec des pentes de l’ordre du pour mille ou du pour cent, si bien qu’en première approximation les modèles classiques dits de faible pente prédisent correctement l’évolution de la houle ; mais cela n’est pas vrai de son contenu basse fréquence qui, localement, n’est pas le même que celui prédit par les théories de référence qui supposent une profondeur constante depuis l’infini. Il y a aussi des situations où le fond marin ne peut pas être considéré de faible pente, par exemple consécutivement à des opérations de dragage. Un cas de référence est le départ, depuis la côte, d’un pipeline o`u il s’avère souvent nécessaire de draguer un chenal pour que la barge de pose puisse opérer. Typiquement le chenal va avoir une profondeur de 10 à 15 mètres avec des fonds environnants beaucoup plus faibles. Là aussi des outils fiables sont necessaires pour prédire la réponse à la houle de la barge, dimensionner son ancrage, et vérifier que les contraintes dans le pipe sont admissibles. Le travail de thèse effectué ambitionne de faire avancer la connaissance sur ces problèmes de tenue à la houle de structures ancrées en bathymétrie variable, et de contribuer à l’amélioration des outils de dimensionnement.

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.

On considère un bassin de houle bidimensionnel dans lequel on étudie le problème de l'absorption dynamique des ondes de gravite par la translation d'une de ses parois verticales en réponse aux efforts hydrodynamiques qu'elle subit. On se place dans le cadre de la théorie linéaire des écoulements a surface libre des fluides parfaits pesants et on introduit les conditions aux limites classiques sur le contour du domaine fluide. En imposant une condition dite d'absorption optimale aux potentiels réfléchis et de radiation, on obtient une relation fréquentielle d'absorption totale en boucle ouverte caractérisée par une fonction de transfert complexe entre efforts hydrodynamiques et vitesse de l'absorbeur. Le passage au domaine temporel par transformation de fourrier inverse fait apparaitre une réponse impulsionnelle non causale rendant le système irréalisable. Plusieurs approximations causales du système sont alors étudiées. On détermine dans un premier temps une relation asymptotique basses fréquences du type Sommerfeld-Orlansky pour des grandeurs locales. On détermine ensuite une relation correspondant a un modèle de type feedback/feedforward conduisant au prix d'une hypothèse simplificatrice a une relation causale approchée purement instationnaire. L’efficacité de ce modèle n'étant que légèrement supérieure a celle du mode asymptotique, on montre qu'il est possible de l'améliorer de manière considérable en rajoutant une relation de dépendance vis-à-vis de la fréquence de l'onde incidente. Toutes les relations de transfert apparaissant dans ces lois de contrôle de l'absorbeur ont été identifiées par une méthode de lissage par exponentielles avant d'être testées numériquement de manière à éviter les calculs d'intégrales de convolution. On présente ensuite une décomposition de la relation d'absorption visant à obtenir de manière plus générale une boucle de contrôle de type feedback/feedforward ne faisant intervenir que des systèmes à réponse impulsionnelle causale. On présente enfin un modèle expérimental de bassin de houle bidimensionnel muni d'un tel système d'absorption par batteur piston.

Le sujet de cette étude concerne la détermination des modes de résonance de maquettes d'hélices de navire placées dans l'air et dans l'eau, l'hélice étant statique. Afin de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, et compte tenu de la géométrie complexe de l'hélice, les travaux ont été menés en commençant par l'étude de modelés très simplifiés. Dans le chapitre I, une étude et expérimentale est réalisée sur deux objets, chacun étant constitue d'une plaque soudée sur un moyeu. L'influence de la disposition des plaques dans l'excitation des modes de résonance est analysée. La comparaison entre les mesures faites dans l'air, et celles faites dans l'eau montre l'influence du liquide sur les résonances. Dans le chapitre II, il est établi que le comportement vibratoire des plaques soudées, déterminé théoriquement par le calcul en basse fréquence dans le chapitre I, peut également être interprète par la propagation d'ondes guidées. Il est montre que des ondes de Lamb effectuent des allers-retours dans la largeur de la plaque. Dans le chapitre II les principales propriétés des objets à symétrie cyclique sont présentées. Les modes de résonance de cibles à symétrie cyclique, composées de cinq plaques soudées sur un moyeu, sont mesures expérimentalement. Ces résultats sont comparés avec ceux obtenus au chapitre i sur une seule plaque. Le chapitre iv termine ces travaux par la détermination des modes de résonance dans l'air et dans l'eau de plusieurs maquettes d'hélice de navire. Les mesures expérimentales sont comparées aux valeurs théoriques calculées par la méthode des éléments finis.

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

L'objectif de cette thèse était de cerner l'effet de la rugosité sur l'écoulement et les transferts de chaleur. Nous avons mené des calculs numériques tridimensionnels afin de caractériser les interactions entre l'écoulement du liquide en simple phase et les éléments rugueux. Ces calculs ont révélé que l'écoulement dans la région rugueuse peut être modélisé comme bidimensionnel. Par conséquent, les calculs 2D ont été employés afin de déterminer le coefficient de traînée et le coefficient d'échange de chaleur. Ces resultats ont été utilisés dans un modèle unidimensionnel baptisé RLM développé parallèlement et basé sur la méthode des éléments discrets. Le coefficient de frottement dans un microcanal rugueux issu du modèle a été comparé aux résultats expérimentaux obtenus pour des microcanaux avec des rugosités de forme et de distribution contrôlées. Cette comparaison a montré un bon accord entre les deux approches. Ceci signifie que l'influence de la rugosité dans des microcanaux n'est pas changée par rapport à l'influence observée dans les conduits de taille conventionnelle. L'analyse des résultats a montré que l'influence de la rugosité dépend des paramètres géométriques caractéristiques locaux (porosité et fractionnement) lorsque la hauteur relative (k/0. 5H) des éléments est inférieure à O. S. Nous avons aussi montré la possibilité d'employer le modèle RLM afin de déterminer la performance thermique des échangeurs munis de micro¬ailettes
The objective of this thesis was to determine the effect of roughness on the flow and the heat transfers in microchannels. We carried out three-dimensional numerical simulations in order to characterize the interactions between the single-phase liquid flow and the rough elements. These calculations revealed that the flow in the rough near wall region can be modeled as two¬dimensional. Consequently, 2D numerical simulations were employed in order to determine the drag and heat transfer coefficients. These results were used in a one-dimensional model RLM (Rough Layer Model) based on the discrete elements method. The friction coefficient in a rough microchannel resulting from the RLM model was compared with the experimental results obtained for microchannels with roughness elements of controled form and distribution. This comparison showed a good agreement between the two approaches. This means that the influence of roughness in microchannels is not changed when compared to the influence observed in conventional size ducts. The analysis of the results showed that the influence of roughness depends on the local geometrical parameters (porosity and fractionation) when the relative height of the roughness elements «withlmodelmathlk/

Le chapitre propose un panorama global sur des méthodes de calcul de la tenue à la mer de navires, abordant successivement les principes de modélisation des efforts hydrodynamiques (modèles simplifiés – de houle et de chargement – ou calcul d’écoulement par simulation numérique) et de réponse dynamique des structures en particulier à l’aide de l'approche linéaire fréquentielle.