ADAPTATION DE PROCEDURES EXPERIMENTALES
AU CAS DESVOILIERS EN GITE ET DERIVE, COMPARAISON DES RESULTATS
EXPERIMENTAUX ET NUMERJQUES
MEMOIRE PROVISOIRE
Thèse de Doctorat
Spécialité : Dynamique des Fluides et des
Transferts
ECOLE DOCTORALE
SCIENCES POUR LÏNGENIEUR DE NANTES
présentée et soutenue publiquement par:
Corinne TALOTIE
le 30 Novembre 1994 à l'Ecole Centrale de Nantes devant le jury ci-dessous
M. Michel GUILBAUD
M. Jan KEIJNING
M. Gerard DELHOMMEAU M. Jean-Michel KUBUS
M. Philippe PALLU de la BARRIERE M. Bernard PESEUX
M. Patrice SULMONT Directeur de thèse : Gérard DELHOMMEAU
Laboratore de Mécanique des Fluides, Division Hydrodynamique Navale
Rapporteur, Examinateur Rapporteur, Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur
Je remercie ici Monsieur le Professeur Patrice Sulmont pour m'avoir accueillie durant mes trois années de thèse au sein du Laboratoire de Mécanique des Fluides de l'Ecole Centrale
de Nantes et avoir bien voulu accepter de participer au jury.
Monsieur le Professeur Jan Keuning et Monsieur le Professeur Michel Guilbaud ont bien voulu être rapporteurs de mon travail et n'ont pas hésité à faire le voyage pour assister à la
soutenance de cette thèse. J'y suis très sensible et leur exprime toute ma gratitude.
J'exprime toute ma reconnaissance à Monsieur Philippe Pallu de la Barrière et à Monsieur
Jean-Michel Kobus qui ont accepté de participer au jury de cette thèse et qui m'ont fait
confiance pour la mise en oeuvre des essais en bassin pour le Défi Français pour la Coupe de
l'America 1995.
Je remercie également Monsieur le Professeur Bernard Peseux d'avoir accepté de faire
partie du jury.
Travailler sur ce sujet fut pour moi un réel enrichissement, j'exprime mes plus vifs
remerciements à Monsieur Gérard Delhommeau dont le soutien a permis que cette thèse se déroule dans des conditions idéales.
Je tiens également à remercier l'ensemble de l'équipe technique du Laboratoire de
8OE
Sommaire
CHAPiTRE L METHODOLOGIE DES ESSAIS DE VOILIERS EN BASSIN
DE CARENES. page 17
Li Introduction, méthodologie générale.
page 191.1.1 Définition des paramètres d'essais. page 19
1.1.2 Principales notations utilisées. page 21
1.1.3 Repères et composition des mouvements. page 23
1.1.4 Choix des carènes. page 25
L2 Description de la chne de mesure.
page 26L3 Présentation des montages expérimentaux.
page 301.3.1 Préparation des maquettes. page 30
1.3.2 Mise au point d'un premier montage utilisant une balance de mesure existante
adaptée au cas spécifique du voilier. page 30
1.3.2.1 Description et principe de la balance de mesures 3C. page 30
1.3.2.2 Essais en traction droite. page 32
1.3.2.3 Adaptation du montage pour les essais en gite et dérive. page 33
1.3.2.4 Critique de ce premier montage. page 38
1.3.3 Mise en oeuvre d'une balance de mesures à 6 composantes. page 39
1.3.3.1 Reconstitution du torseur des efforts à partir des mesures sur les six
capte urs. page 39
1.3.3.2 Orientation de la carène. page 42
1.3.3.3 Comparaison des mesures réalisées avec les balances 3C et 6C0. page 43
1.3.3.4 Critique de ce second montage et spécificités des mesures. page 45 1.3.4 Passage à une balance six composantes pour des grandes maquettes. page 47
L4 Essais sur houle de face.
1.4.1 Montages expérimentaux.1.4.1.1 Equilibrage de la maquette en inertie. 1.4.1.2 Mesures de la houle.
1.4.2 Résultats et méthodes de traitement.
1.4.2.1 Résistance ajoutée.
1.4.2.2 Amplitudes de tangage et pilonnement. 1.4.2.3 Amortissements et frottements.
L5 Etalonnage.
1.5.1 Procédure d'étalonnage. 1.5.2 Qualification de l'étalonnage.
1.5.2.1 Couplage et linéarité.
1.5.2.2 Sources d'erreur dans la procédure d'étalonnage.
1.5.2.3 Calculs d'erreur sur les mesures.
L6 Validation et précision des mesures.
1.6.1 Répétitivité.
1.6.1.1 Répétitivité entre deux campagnes d'essais. 1.6.1.2 Répétitivité au cours d'une journée d'essais.
1.6.2 Analyse statistique des mesures.
Sommaire page 49 page 49 pa.e 49 page 50 page 51 page 51 page 52 page 54 page 55 page 55 page 56 page 56 page 57 page 60 page 63 page 63 page 63 page 66 page 68
PLANCHES PHOTOGRAPHIQUES. page 71
Planche N°1 page 75
Planche N°2 page 79
CHAPITRE ft EXTRAPOLATION ET SPECIFICITES DES ESSAIS DE VOILIERS.
ILl Introduction
1L2 Extrapolation des essais.
11.2.1 Décomposition de la résistance. Similitude de Froude.
11.2.2 Frottement.
11.2.3 Détermination du coefficient de forme. 11.2.3.1 Méthodes.
11.2.3.2 Application de la méthode de Prohaska. 11.2.3.3 Application d'autres méthodes.
11.2.3.4 Prise en compte des grandeurs dynamiques. 11.2.3.5 Critique de ces méthodes.
11.2.4 Cas particulier des appendices.
11.3 Stimulation de la turbulen.
page 9911.3.1 Essais préliminaires sur une plaque plane et validation de différentes
formulations. page loo
11.3.1.1 Objet de ces essais. page 100
11.3.1.2 Calcul analytique. page 101
11.3.1.3 Résultats et comparaisons. page 102
11.3.2 Essais systématiques de bandes de sable sur carène et appendices en bassin.
Influence sur les efforts. page 107
11.3.2.1 Influence de la position de la bande de sable sur une carène. page 107 11.3.2.2 Influence des bandes de sable sur les efforts. page 108 11.3.3 Essais systématiques de bandes de sable sur appendices en soufflerie.
Influence sur les efforts. page 110
11.3.3.1 Objet de ces essais. page 110
11.3.3.2 Résultats. page 111
11.3.4 Mesures des vitesses par vélocimétrie LASER en fonction des conditions
de stimulation de la turbulence. page 114
11.3.4.1 Objet de ces essais. page 114
11.3.4.2 Mise en oeuvre expérimentale. page 114 11.3.4.3 Comparaison des profils de vitesse avec et sans bande de sable. page 117 11.3.4.4 Comparaison des efforts mesurés. page 122 11.3.4.5 Conclusion sur les mesures LDV. page 122
11.3.5 Conclusion sur les stimulateurs de turbulence. page 123
Sommaire page 85 page 87 page 88 page 88 page 89 page 91 page 91 page 93 page 95 page 95 page 95 page 96
Sommaire
11.4 Effets d'échelle.
page 12411.4.1 Calcul du coefficient de forme page 125
11.4.2 Comparaison de la résistance de vagues et de la position dynamique. page 126 11.4.3 Comparaison des autres efforts. page 137
11.4.3.1 Traction droite gîtée.- page 137
11.4.3.2 Traction en gîte et dérive avec angles d'appendices. page 137 11.4.4 Comparaison de la qualité des mesures. page 139
11.4.5 Application de méthodes d'extrapolation tenant compte des effets de confinement
dans les bassins. page 140
1.4.5.1 Méthode de Van Lammeren. page 141
11.4.5.2 Méthode de Schlichting. page 142
CHAPITRE III COMPARAISON DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
AVEC DES RESULTATS DE CALCUL NUMERIQUE. page 145
lUi Etude bibliographique
succincte sur les programmes de
calculs appliqués aux voiliers.
page 147111.1.1 V.P.P. page 147
111.1.2 Détermination semiempiriqUe de la résistance à l'avancement. page 148
111.1.3 Codes de calcul numériques. page 149
11L2 Calcul numérique de la résistance de vagues,
comparaison
des résultats du code
REVA et des résultats expérimentaux.
page 151111.2.1 Présentation du code. page 151
111.2.1.1 Hypothèses et équations à résoudre. page 151
111.2.1.2 Principe général de la résolution numérique. page 152
111.2.1.3 Traitement de la condition de surface libre. page 152
111.2.1.4 Traitement du problème portant. page 153 111.2.2 Validations pour les voiliers. page 154
111.2.2.1 Validations préliminaires du problème portant pour un profil
de quille. page 154
111.2.2.2 Modèles de Gerritsma. page 157
111.2.2.3 WOR 60'. page 160
111.2 .2 .4 ACC.
page 167
LISTE DES FIGURES.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES.
Sommaire
11L3 Calcul numérique du problème de diffraction-radiation avec
vitesse d'avance: comparaison des résultats du
calcul AQUAPLUS
et des résultats expérimentaux.
page 174111.3.1 Présentation du code. page 174
111.3.1.1 Hypothèses et mise en place des équations à résoudre. page 174
111.3.1.2 Principe général de la résolution numérique. page 175
111.3.2 Comparaison des résultats de calcul avec les résultats d'essais. page 177
111.3.2.1 Traction droite. page 177
111.3.2.2 GUe et dérive. page 182
111.3.2.3 Prise en compte d'amortissement en pilonnement. page 184
111.3.3 Conclusion des comparaisons des essais en bassin et calculs
AQTJAPLUS page 186
CONCLUSION GENERALE. page 187
ANNEXES. page 191
Annexe 1: Description des insth11tions expérimentales du bassin
des carènes de l'Ecole Centrale de Nantes.
Annexe 2: Principe des mesures de vélocimétrie LASER.
page 193
page 199
page 207
úAi Introduction générale AA
te
I
iiIII!
AJ L//IILe voilier présente des spécificités de forme et de fonctionnement qui en font le navire idéal pour tester les avancées dans le domaine de la modélisation numérique des
écoulements sur carène et appendices. De plus, l'utilisation des voiliers en compétition
impose des exigences de plus en plus serrées pour la prédiction des performances. Que ce
soit pour réaliser des validations précises des modélisations ou simplement obtenir des résultats expérimentaux utiles à la prédiction des performances, il est nécessaire de
développer une instrumentation et des procédures adaptées et performantes pour les essais en bassin des carènes de voilier.
Le premier chapitre de ce mémoire présente les différentes méthodes expérimentales
adaptées au voilier mises en oeuvre pour des essais sur eau calme ou sur houle de face. Les essais de voilier se caractérisent par le nombre élevé de paramètres à faire varier. Une des
préocuppations principales est de limiter les domaines de variation des paramètres de
fonctionnement à des combinaisons réalistes afin de réduire le plus possible la durée des essais. Un premier montage a été réalisé permettant à la maquette de prendre d'elle même
gîte, assiette et enfoncement à partir d'une dérive imposée, sous le simple effet de la portance. Ce montage permet d'obtenir des combinaisons naturelles des paramètres de
fonctionnement à condition que la maquette soit tractée par son centre de voilure et que son
centre de gravité soit placé en similitude avec le réel. Le principal inconvénient de ce
principe de mesure vient de la longueur du bassin, trop faible pour obtenir des essais stable à
grande vitesse. Une autre méthode a alors été utilisée qui consiste à cerner préalablement les configurations d'essais grâce à un logiciel de simulation du fonctionnement global du voilier développé par le CRAIN ( Centre de Recherche pour l'Architecture et l'Industrie Nautique ).
Introduction génra1e
Dans ces conditions, la maquette est maintenue dans une attitude fixée par un orienteur.
Une balance à six composantes a alors été conçue pour mesurer le torseur des efforts sur la
maquette. Une seconde balance, basée sur le même principe, a également été conçue pour pouvoir tester des maquettesplus grandes dans l'objectif plus précis d'étudier à des nombres
de Reynolds significatifs l'influence des appendices portants.
Tous les montages présentés ici ont été conçus et réalisés par l'équipe technique du
Laboratoire de Mécanique des Fluides: J.M Kobus, J.L Toularastel, E. Samson, G. Jolivet, E. Bossard et B. Pettinotti.
Nous présenterons les essais réalisés pour valider ces différents montages qui ont été
effectués sur deux types de carènes. Une maquette de WOR 60 etplusieurs modèles ACC ont
été utilisés.
Dans un deuxième chapitre, nous présenterons les méthodes utilisées pour extrapoler les essais au réel, méthodes tenant compte des spécificités des voiliers. Du fait de la taille réduite des maquettes et deseffets de confinement dus aux parois et au fond, la modélisation en bassin des phénomènes hydrodynamiques réels pose un certain nombre de problèmes. Nous exposerons les différents essais réalisés pour étudier les stimulateurs de turbulence placés sur les carènes de voilier et les appendices: essais en bassin, essais en soufflerie et
essais de vélocimétrie LASER. Des essais réalisés sur deux tailles de maquette permettront
d'étudier les effets d'échelle.
Dans un dernier chapitre, nous présenterons des comparaisons de résultats de calcul
numérique avec les résultatsexpérimentaux. Nous utiliserons le code REVA permettant de calculer la résistance de vagues et les efforts de portance ainsi que le code AQUAPLUS qui
permet d'obtenir la résistance ajoutée et l'amplitude des mouvements pour un navire
progressant dans la houle.
Les essais en bassin présentésici ont été effectués au bassin des carènes de l'Ecole Centrale
de Nantes et les calculs numériques sur le VAX 9420de l'Ecole Centrale de Nantes. Les figures sont tracées avec le logiciel TECPLOT [371.
I
Iv'
ij
\
c7
c
kid
q
J'
t
tVA
b
i
-I
j4l
/)
¡//
/
t J-1-e4L1.1 Définition des paramètres d'essais.
Une des préoccupations majeures de ce travail, outre la validation de codes de calcul, est la détermination d'une méthodologie permettant en un nombre minimum d'essais en bassin de mesurer la résistance à l'avancement d'une carène de voilier et de connaître son
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
comportemeipie....Lobjectif est de pouvoir classifier des carènes tout en ayant le
souci de modéliser au mieux les conditions naturelles d'évolution.
Les essais sur voiliers se caractérisent par le nombre élevé de paramètres à faire varier.
Tout d'abord la position: dérive, enfoncement, assiette et gite; la vitesse; le réglage des appendices mobiles: safran et éventuellement trimmer; enfin la position du point de
traction qui doit modéliser le point de poussée vélique. Il peut également être envisagé de
définir plusieurs déplacements correspondant à différents cas de chargement ainsi que
diverses inerties pour modéliser le comportement sur houle. Par ailleurs, l'influence de la
position des appendices ( voile de quille par rapport à la carène, bulbe par rapport au voile... peut être étudiée.
Il est nécessaire avant la réalisation d'essais en bassin comme de calculs numériques de définir des combinaisons de variation de ces paramètres. Plusieurs cas sont à définir:
-
Lors de la mise au point de méthodes expérimentales ou pour réaliser des
validations numériques, il convient de balayer indépendamment chaque paramètre afin d'évaluer son influence sur le comportement de la carène mais également sur la qualité des mesures elles-mêmes.
-
D'autre part, lors d'essais systématiques, on s'attachera à définir des
combinaisons réalistes de variation de ces paramètres. Il est alors intéressant de cerner les points de fonctionnement à l'aide d'un V.P.P. (Velocity Prediction Program) qui permet à
partir des données géométriques (carène, appendices et voiles) et des conditions de
navigation (vent, état de mer) d'évaluer les performances d'un voilier et de connaître sa position dynamique.
Il s'agit donc ici de déterminer les points de fonctionnement pour évaluer le domaine
d'étude et non de faire une évaluation précise des performances qui pourra être effectuée ultérieurement en remplaçant les formules empiriques utilisées en première approche par les résultats d'essais ou de calculs.
?eç
/
¡y
//
ç/
¿M
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
Plusieurs séries-types d'une campagne d'essais de voiliers peuvent être définies, que ce soit
pour une carène seule ou pour une carène munie d'appendices (que nous appellerons dans le texte "carène complète").
Sur eau calme:
Une série dite de "traction droite" qui permet l'étudede la résistance de vagues en fonction
de la vitesse et le calcul du coefficient de forme à basse vitesse.
Une série en gîte sans dérive qui permet d'isoler la résistancedue à la gîte et le moment de lacet.
Une série en gîte et dérive avec variation des angles des appendices mobiles afin d'évaluer les rapports traînée-portance.
On peut bien entendumultiplier assez vite le nombre des séries pour étudier des paramètres spécifiques, par exemple réaliser des polaires de portance en fonction de la dérive ou des angles de braquage de safran ou de trimmer...
Sur houle:
tfp-Nous nous intéressons ici à la résistance ajoutée sur houle e face et aux amplitudes des
mouvements de tangage et de pilonnement en traction droite ou en gîte et dérive. Même si le
domaine de variation de la fréquence de houle s'écarte d'une valeur réaliste,
il est
intéressant de balayer un spectre assez large afin d'obtenir la résonance et permettre lavalidation de codes de calcul. Il peut être important le cas échéant de resserrer le domaine
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bo..ssin decarènes
L1.2 Principales notations utilisées.
Nous utiliserons dans la mesure du possible la terminologie définie à la conférence
des bassin de carènes ITTC 93 [19].
Vitesse d'avance. (mis)
V, Cb: Vitesse de l'écoulement. (mis) et potentiel.
g=9.81: Accélération de la pesanteur. (mis2) Viscosité cinématique. (m2/s)
p: Masse volumique de l'eau douce (kg/rn3)
h: Hauteur d'eau dans le bassin. (m)
Il: Elévation de surface libre. (m)
ks: Rugosité du sable. (m)
grandeurs géométriques:
( Les indices c pour la carène, k pour la quille et r pour le safran pourront être utilisés)
LWL, B:
Longueur et Bau maximum à la flottaison. (m)T: Tirant d'eau. (m)
S: Surface mouillée. (m2)
Déplacement (kg)
V = -è--: Déplacement volumique (m3)
p. g
lcb: Position longitudinale du centre de poussée rapporté à la L/2 longueur et exprimé en pourcentage de la longueur LWL.
e : Coefficient prismatique longitudinal.
t, C: Epaisseur et corde d'un profil. (m)
w: Angle de dérive. (rad ou 0 si précisé)
O: Angle d'assiette. (rad ou 0 si précisé) 4>: Angle de gite. (rad ou ° si précisé)
ÖT: Angle de trimmer. (rad ou ° si précisé)
Angle de safran. (rad ou ° si précisé)
aw, Xw: a, k:
T, (i)w: e, Te, We
ly:
Amplitude et longueur d'onde de la houle. (m) Direction de la houle (rad), et nombre d'onde.
Fréquence, période et pulsation de la houle. (Hz,s,radls) Fréquence, période et pulsation de rencontre. (Hz,s,radls)
Efforts:
RT: Résistance thtale. (N)
RF: Résistance de frottement. (N) Rw: Résistance de vagues. (N)
R1: Résistance induite. (N)
R,: Résistance due à la gite (à portance nulle). (N) RAW: Résistance ajoutée sur houle. (N)
Torseur des efforts dans une base (X,Y,Z). (N & N.m)
Grandeurs adimensionnelles: [t} = F F M M U
Fn
--.J g.LChap I: Mét hodokgie des essais de voiliers en bassin de carènes
Nombre de Froude.
Rn = Nombre de Reynolds, L pouvant être égal à Lw ou à la corde d'un profil.
C R Coefficient de résistance. 2
p.S.U2
0.075
CF(flC) = : Formule ITTC 57 de calcul du coefficient de frottement. (Log 10(Rn) -2)2
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
L1.3 Repères et composition des mouvements.
Soit (OXYZ) un repère absolu dont le plan (OXY) est confondu avec la surface libre au
repos, l'axe (OZ) est dirigé suivant la verticale ascendante. Soit (oxyz) un repère lié à la
carène, o étant un point du corps, l'axe (ox) est dirigé vers l'avant de la carène.
La position de la carène est définie par son enfoncement et par les trois angles suivants : l'angle de dérive ( qui sera également l'angle d'incidence des appendices fixes ), O l'angle d'assiette et l'angle de gite.
Lors des comparaisons essais-calculs, il faut prendre garde à la définition de ces rotations et à l'ordre de la combinaison.
Ces angles ne sont pas définis directement par des rotations autour des trois axes du repère fixe mais sont les angles de Cardan: la première rotation s'effectue autour de (oZ) (dérive), puis autour de (oyi) (assiette), et enfin autour de (ox) (gîte), cet ordre étant le plus réaliste pour un voilier.
Figure 1.1 Repère, plan (OXY).
l'l
= X.cos@y) + Y.sin()= -X.sin() + Y.cos()
xl
x2
z zl
e
Chap 1: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
Figure 1.2 Repère, plan (0x2z2). = x1.cos(9) - Z.sin(0)
y2 = y
z2 = x1.siri(0) + Z.cos(0)
Figure 1.3 Repère, plan (Oyz). X = X2
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
La matrice de passage de (oXYZ) à (oxyz) va donc s'écrire: cosí cosO cosy sinO sin4 cosi sinO cos4
- sinw cos4 + sinw sine sinf cosO sin4t sine sin4 sinw sine cos4 + cosw cose - cosí sine
- sine cosO sin4 cosO cos4
Dans la suite du texte, nous appellerons "moment de lacet" le moment autour de oZ,
"moment de tangage" autour de Oj et "moment de roulis" autour de ox.
L1.4 Choix des carènes.
Que ce soit pour les validations expérimentales ou numériques, il est important de tester des carènes de voiliers de compétition actuels. Dans un premier temps, nous avons
étudié un WOR 60', dessiné par j.1jr initialement prévu pour la course autour du
monde en équipage WHITBREAD. Il permet la mise au point et la comparaison des deux
techniques de mesure décrites ultérieurement, la réalisation des premiers essais de
stimulation de turbulence ainsi que la validation du code REVA. La maquette utilisée est au 1/7e ( environ 3 m ), munie d'appendices: voile et bulbe de quille, safran. Deux bulbes sont fournis, l'un étant en plomb, de manière à placer le centre de gravité en similitude avec le réel, l'autre n'étant destiné qu'à modéliser la forme.
En collaboration avec le CRAIN, nous avons ensuite réalisé les essais en bassin du Défi Français pour la Coupe de l'Arnérica . ne trentaine de carènes ACC (America's Cup
Class ) à l'échelle 1/7e ( environ 3 m ), avec des variations d'appendices, ont été testées, ce
qui représente une quarantaine de configurations géométriques. Une vingtaine de
campagnes ont été effectuées. Le programme d'essais est défini par le CRAIN après une première étude VPP en faisant varier les paramètres pour différentes options géométriques
sur les carènes ( variations d'élancement avant, de position de creux, de formes arrières, de
longueur à la flottaison, de déplacement, de positions d'appendice ).
La vocation des essais au 117e est la comparaison de différentes carènes; des essais à plus grande échelle ( 1/4 ) ont été également réalisés dans l'objectif plus particulier d'étudier les
appendices à des nombres de Reynolds plus significatifs ( variations de forme et de taille de voile et de bulbe de quille, de position de quille et de safran sur une carène de référence).
La chaîne de mesure peut être symbolisée de la façon suivante:
Etalonnage.
Logiciel d'acquisition.
Validations CFD.
Chap I: Méthodologie d4' essais de voiliers en bassin de carènes
Définition des paramètres d'essais.
Acquisition d'un essai.
RESULTAT
Logiciel de traitement.
Comparaison avec
d'autres essais.
Etalonnage
L'ensemble du système de mesure doit être étalonné, ce qui consiste à déterminer le
coefficient permettant de passer des valeurs des signaux analogiques donnés par les instruments de mesure, en Volts, à la grandeur mesurée. La gamme d'étalonnage doit
correspondre à toute l'étendue des mesures en resserrant le domaine autour des valeurs nominales.
Les capteurs de la balance de mesure des efforts peuvent être étalonnés avant le montage, mais il est essentiel d'étalonner le système complet pour prendre en compte les couplages entre les différentes composantes, induits par la structure.
Nous verrons au paragraphe 1.5, après avoir décrit les montages expérimentaux, le détail de
la procédure d'étalonnage.
Définition des
paramètres
Les paramètres d'essais vont être les suivants: - Vitesse d'avance.
- Déplacement de la maquette.
- Position de la maquette: dérive, gîte et éventuellement enfoncement et assiette initiaux.
- Position des appendices mobiles: angles de trimmer et de safran.
- Pour les essais surhoule: - inertie de la maquette.
- fréquence et amplitude de la houle incidente (houle de
face).
Logiciel
d'acquisition
Chap i: Méthodologie des essaz.s de voiliers en bassin de carènes
Le logiciel d'acquisition utilisé est Notebook de Labtech [291. La fréquence et la durée de l'acquisition sont réglés de manière à optimiser le nombre de points de mesures par rapport aux capacités du micro-ordinateur d'acquisition et au type de traitement souhaité (il faut plus de points pour une analyse FFT par exemple).
Les coefficients d'étalonnage des différentes voies peuvent être intégrés dans le logiciel de traitement ou bien dans celui d'acquisition.
Acquisition
d'un essai
Nous nous intéressons à la mesure des grandeurs suivantes:
Efforts totRnx sur la maquette et les appendices
Pour mesurer les forces et moments auxquels est soumisela maquette, nous utiliserons au
cours de cette étude deux types de balance,dont le principe de fonctionnement sera détaillé
au paragraphe 1.3 utilisant: - soitdes capteurs à quartz.
- soit des capteurs à jauges de contrainte. Position statiaj,ie et dynamique de la maquette
L'enfoncement sera mesuré par un capteur différentiel àvariation linéaire LVDT.
Les angles ( dérive, assiette ) seront mesurés par despotentiomètres rotatifs.
L'angle de gite sera défini par des plots enfichés sur un secteur angulaire gradué pour les
essais au 117e. Lors des essais au 114, il est défini par unpotentiomètre rotatif.
Les angles des appendices mobiles sont définis mécaniquement par des plots enfichés sur des secteurs angulaires et ne font pas l'objet d'une mesure analogique.
Amplitude de la houle: - sonde conductrice à deux fils.
- sondes électroniques asservie en position.
Vitesse du chariot: - cellule photoélectrique mesurantle temps de passage sur une
distance donnée.
- codeuroptique à 5000 traits partour.
Le principe d'une mesure sur un capteur quelconque est le suivant:
Le capteur est branché
sur un
conditionneur qui permet sonalimentation et le
conditionnement de son signal de sortie, par exemple un conditionneur à pont de jauges pour les capteurs d'efforts à jauges de contrainte. Le gain est réglé de manière à optimiser
l'étendue de mesure en Volts par rapport à celle de la grandeur mesurée.
L'acquisition se fait ensuite sur une carte de conversion analogique-numérique reliée à un micro-ordinateur de type PC-486 et est vérifiée sur un enregistreur papier qui permet d'évaluer en temps réel la qualité de la mesure et constitue une trace disponible pour un
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
La carte utilisée est une Burr-Brown 12 bit. Si l'étendue de mesure de +1- 10V, la limite de
conversion de la mesure est: -- = 0.005 Volt. Il est alors intéressant
de modifier la212
configuration de la carte et le gain des capteurs pour réduire cette limite de conversion.
Des filtres hautes-fréquences peuvent être installés entre le conditionneur et la carte de mesure. Dans notre étude, nous préférons cependant enregistrer le signal complet qu'il est toujours possible par la suite de filtrer par un traitement numérique.
Logiciel
de traitement
Plusieurs programmes de traitement ont été conçus au cours des différentes campagnes, en Fortran ou en Turbo-Pascal 7.
Le principe d'analyse des fichiers d'acquisition est le suivant:
le "zéro" mécanique à l'arrêt n'est jamais rigoureusement le "zéro" électrique des
capteurs, il faut donc acquérir cette valeur qui sera retranchée aux mesures. La zoned'analyse de la mesure doit ensuite être déterminée: le signal de chaque voie d'acquisition
est affiché à l'écran, on définit avec deux curseurs la zone sur laquelle on calcule la
moyenne du signal, moyenne qui sera le résultat de la mesure. Il faut s'assurer que la zone
sur laquelle on définit la moyenne corresponde à une zone où la vitesse d'avance est
constante. Cette dernière est acquise simultanément aux mesures d'efforts. Par ailleurs, lorsque des phénomènes instationnaires de basse fréquence sont observés, il faut prendre garde à analyser le signal sur un nombre entier de périodes pour ne pas modifier la valeur
moyenne. Ce type de phénomène sera décrit au paragraphe 1.6.2.
Un calcul d'écart-type est également réalisé simultanément au calcul de la moyenne pour s'assurer de la qualité de la mesure.
L'étalonnage de la balance six composantes consiste en la détermination d'une matrice de
coefficients. Les valeurs en Volts des six capteurs seront multipliées point par point par cette
matrice avant d'être traitées.
Lors d'essais sur houle, une analyse statistique des mesures sera réalisée pour déterminer outre les valeurs moyennes, les amplitudes, fréquences, déphasages et amortissements des
L'ensemble des montages utilisés a été conçu et réalisé par les services techniques du
Laboratoire de Mécanique des Fluides.
1.3.1 Préparation des maquettes.
Les maquettes sont équipées d'un plancher situé au niveaude la flottaison sur lequel
des masses sont réparties de façon à respecter le déplacement du modèle. L'équilibrage en assiette s'effectue en suspendant la maquette par son centre de gravité et en déplaçant les
masses jusqu'à l'assiette souhaitée, les hauteurs des francs-bords correspondantes sont
contrôlées lors de la mise à l'eau.
A l'avant de la carène, une bande de sable de rugosité comprise entre 0.65 et 0.8 mm et de i cm de largeur permet de stimuler la turbulence. Les essais seront réalisés en plaçant aussi des stimulateurs deturbulence sur les appendices. Nous reviendrons en détail au chapitre II
sur les problèmes posés par la présence de ces stimulateurs de turbulence et sur leur
influence sur les efforts mesurés.
L3.2 Mise au point
d'un premier montage
utilisant une bbmce de
mesures existante
adaptée au cas spécifique
du voffier.
1.3.2.1 Description etprincipe de La balance de nwsure3C.
La balance de mesure initialement utilisée au
bassin des carènes de
l'Ecole Centrale de Nantes est munie de trois capteursà quartz et permet
de mesurer troiscomposantes du torseurdes efforts, nous la nommeronsdonc dans la suite du texte "balance 3C". Un des capteurs estplacé parallèlement à l'axe de la maquette et permet de mesurer la
traînée; les deux autres situés sur des axes transversaux permettent la mesure de la
projection de la portance ou
force transversale ainsi que le "moment de lacet". Latransmission des efforts de la maquette à la balance s'effectue par deux colonnes deguidage
libres ou fixes en pilonnement; un degré de liberté longitudinal sur une des colonnes
permet la mise enassiette.
L'enfoncement de chaque colonne est mesuré par un capteur différentiel à variation linéaire (LVDT).
ou encore sous forme matricielle:
Chap I: Méthodol og'e des essais de voiliers en bassin de carèn.es
Afin de mettre la maquette en dérive, nous devons faire tourner l'ensemble de la balance. La mesure ne s'effectue donc pas dans un repère dont les axes sont parallèles aux axes du bassin (Ob,X,Y,Z) mais dans un repère qui a tourné de t (Ob,x1,y1,Z), Ob étant un point de
référence sur la balance. Une photographie de la balance est présentée sur la planche N° 1-a, page 75 et son principe est illustré surla figure 1.5.
Figure 1.5 Schéma de principe de la balance 3C.
Soit F la valeur en Newtons mesurée par le capteur C1.
Dans le repère (Ob,x1,y1,Z):
Fx1 = F1
Fy = F2 + F3
MZ (F3 - F2).d
Dans le repère (Ob,X,Y,Z):
FX = Fxj.cos(V) -
Fy1.sin()
FY = Fx1.sin(í) + Fy1.cos()
cos() -sin()
-sin(W) sin(W)cos()
cos()
O -d d
FX F1
FY = [Cth]. F2 avec [CthI =
1.3.2.2 Essais en traction droite
P1usieurs montages sont réalisés avec la maquette du WOR 60': tout d'abord,
classiquement, les colonnes sont fixées sur le plancher de la maquette, c'est-à-dire que le point de traction est à la cote de la flottaison. La balance est positionnée de telle sorte que (ObX) soit dans l'axe du bassin: le parallélisme est contrôlé par une mesure de la distance
entre l'axe de la balance et un des rails sur lequel se déplace le chariot. De plus l'axe de
portance nulle est vérifié en faisant varier la dérive de part et d'autre de la position réglée par rapport au rail jusqu'à annuler la force transversale.
Une première série d'essais en traction droite permet d'obtenir des courbes de traînée en fonction de la vitesse pour la carène seule et pour la carène complète munie d'appendices, d'en déduire la valeur du coefficient de forme et de mesurer l'influence du déplacement sur
la résistance. Trois déplacements correspondant aux trois cas pratiques suivants sont
étudiés: le déplacement A correspond à la jauge à vide, le déplacement B tient compte du poids des aménagements (gréément, voiles, accastillage ) et de l'équipage. Les bateaux de
cette jauge WOR 60' destinés à la course autour du monde étant assezlégers et assurant leur
stabilité avec des ballasts, le dernier déplacement C va modéliser le cas chargé et ballasté. La figure 1.6 montre l'évolution de la résistance résiduaire rapportée au déplacement en fonction du nombre de Froude pour la carène seule ( notée sans app. sur la légende des
courbes ) et la carène complète ( notée avec app. sur la légende des courbes ), pour les trois déplacements A, B et C.
La résistance résiduaire est obtenue en soustrayant à la résistance totale mesurée la
résistance de frottement calculée parla formule I.T.T.C. 57, de manière séparée sur chaque
élément: carène, voile de quille, bulbe et safran en tenant compte de plus de l'évolution de la
viscosité en fonction de la température. Nous reviendrons plus en détail au chapitre II sur les techniques d'extrapolation et surla décomposition de la résistance.
La linéarité de la résistance parrapport au déplacement est bien vérifiée puisque les courbes pour A,B et C sontpratiquement confondues. Nous pourrons donc ole' les résultats à
un autre déplacement. Par contre, nous remarquons que
la résistanèrésiduaire de la
carène avec appendices est plus importante que pour la carène seule alors que le frottement
est calculé séparément sur chaque élément. Il semble donc
qu'il y ait une résistance
supplémentaire pour les appendices qui est mal modélisée par les formules de frottement. Nous essayerons au chapitre II d'autres formules d'extrapolation adaptées aux appendices.
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
ti
Figure 1.6 WOR 60'. Résistance résiduaire divisée par le déplacement: essais en bassin
en traction droite pour différents déplacements, avec et sans appendices.
1.3.2.3 Adaptation du montage pour des essais en gîte et dérive
Nous nous intéressons maintenant au cas plus
L'idée de départ est la suivante: la maquette est tractée en dérive à une hauteur voisine de son centre de voilure moyen et est munie de sa quille en similitude de masse, ( centre de gravité en similitude avec le réel ). Le décalage vertical de la force de portance, située au
voisinage de la quille, par rapport au point de traction entraîne une mise en gite de la
maquette. Dans cette configuration, la maquette prend d'elle-même une position
d'équilibre: enfoncement-assiette-gîte à partir d'une vitesse et d'une dérive imposée.
Une structure en Nomex-Carbone, matériau choisi pour son très bon rapport masse/rigidité, fixée sur le plancher de la maquette rehausse le point de traction au voisinage du centre de
poussée vélique comme l'illustre la figure 1.7.
Sur cette structure, deux rotules munies de potentiomètres rotatifs permettent la mise en gite et en assiette de l'ensemble et la mesure de ces deux angles O et 4).
Un essai en gite et dérive réalisé avec ce montage est illustré sur la planche photographique N°2 -a et b page 79.
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
u voilier en gite et dérive.
2
Chap I: Met Jwdlogie th' essais de voiliers en bassin de carènes
Figure 1.7 Schéma du montage permettant de rehausser le point de traction auvoisinage du centre de voilure.
Pour un couple (U,M') nous mesurons donc (F1,F2,F3,Enf,O,4) et afin de s'affranchir d'éventuels problèmes de symétrie, nous réalisons également les mêmes essais pour le
couple (U,-).
Comme nous venons de le décrire, la gîte est obtenue par ce montage de manière "naturelle"
et il est difficile de l'estimer antérieurement aux essais. Pour une valeur du couple (U,í),
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
LA
/'i'eí1dL
Afin obtenir une autre valeur de la gîte pour le même couple vitesse-dérive, un paramètre
supplémentaire est introduit en imposant une gîte
statique; les essais suivants sont
réalisés:Pour une quinzaine de couples (U,w) ( 5 valeurs pour U et 3 po r sí), le même essai est réalisé
trois fois en déplaçant latéralement une masse au niveau du centre de gravité, ce qui permet
de conserver le déplacement et l'assiette. Les résultats montrent que la gîte dynamique
évolue linéairement en fonction du déplacement latéral de cette masse quels que soient les
angles de dérive et la vitesse. La figure 1.8 représente ce comportement pour une dérive de 4°
et différentes valeurs du nombre de Froude, des résultats analogues étant obtenus pour les
autres valeurs de (U,Ní).
Ainsi, pour obtenir une valeur donnée de la gîte ou tout au moins encadrer cette valeur, nous
pourrons interpoler la position de la masse parmi une série d'essais antérieurs.
:
us....
s--g....
u.s.s.R...
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 00 0 1 02 03 04 05Position masse (m)
Figure 1.8 WOR 60'. GÎte mesurée en fonction du déplacement latéral de masse: essais en bassin à différentes vitesses pour une dérive de 4 degrés.
35.0 30.0 25.0 C) 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0
Chap I: Méthodologie de essais de i'oihers en bassin de carènes
Des essais en traction droite sont également réalisés avec ce montage. Le décalage vertical du point de traction par rapport au point d'application de la traînée entraîne une différence de position dynamique de la maquette ( enfoncement, assiette ). La figure 1.9 représentant
l'évolution de l'enfoncement réel en fonction du nombre de Froude montre que la maquette s'enfonce plus lorsque le point de traction est au centre de voilure, cet écart étant toutefois assez faible. Le décalage vertical du point de traction crée un moment MY plus important et
la maquette qui avait tendance à se cabrer sur l'arrière conserve maintenant une assiette dynamique vers l'avant jusqu'à un nombre de Froude de 0,45 comme le montre la figure
1.10 (0>0 correspond à uneassiette vers l'avant).
Il en résulte des écarts sur la traînée. La figure 1.11 montre que la résistance résiduaire
rapportée au déplacement est plus faible lorsque le point de traction se situe au centre de voilure, bien que dans ce cas là, l'enfoncement soit plus fort, eftt qui devrait augmenter la
résÍtjc
Ïfsernble donc que ce soit surtout la différence d'assiette dynamique quimodifiela résistance.
Dans le cas où la maquette n'est pas tractée par son centre de voilure, il convient doncde
compenser la différence de hauteur du point de traction en déplaçant longitudinalement une
masse de manière à obtenir le même moment M etdonc la même position dynamique de la maquette.
Ô
Figure 1.9 WOR 60'. Comparaison de l'enfoncement dynamique pour les deux positions du point de traction.
Chap I: Méthodologie des essai.s de voiliers en bassin de carènes 2 2 r, s s o
Figure 1.10 WOR 60'. Comparaison de Fassiette dynamique pour les deux positions du point de traction. 0.07 0.05 0.03 0.00 Tractonauc,nJredevoIiur. I Traction ¿ a ßottaison
i
IPJ!F
Nombre de FroudeFigure 1.11 WOR 60'. Comparaison de la résistance résiduaire rapportée au déplacement
pour les deux positions du point de traction.
00 01 02 03 04 05 06
Nombre de Froude
L3.2.4 Critique de ce premier montage.
Divers problèmes inhérents à ce montage sont mis en évidence. Tout d'abord, des
problèmes d'ordre méthodologique: seules la vitesse et la dérive sont imposées. Ceci offre
l'avantage d'obtenir une valeur de la gîte qui découle d'un état d'équilibrephysique et donc
supposée proche d'une situation réaliste.
Ensuite, il est difficile d'en déduire des caractéristiques de comportement puisque
l'influence des paramètres dominants ne peut être examinée de manière indépendante. Par exemple, afin d'étudier la résistance due à la gîte c'est-à-dire en gîte à portance nulle, il
faut réaliser des essais en gîte sans dérive. La seule solution avec ce montage est de
déplacer latéralement des masses, ce qui n'est pastoujours aisé.
Nous observons par ailleurs une instabilité de la position d'équilibre, surtout en ce qui
concerne l'angle de gîte. Il est même difficile de réaliser des mesures à grandes vitesses
car la longueur du bassin est insuffisante pour obtenir l'équilibre stable.
Par ailleurs, les capteurs utilisés pour mesurer les efforts sont des capteurs à quartz qui présentent des instabilités en température.
Enfin, pour une étude plus approfondie du comportement du voilier en gîte et dérive, il est nécessaire de connaître l'ensemble des moments, ce qui n'est pas possible avec ce système de mesure.
Chap I: Méthodologie dps essais de voi hers en bassin de carènes
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
L3.3 Mise en oeuvre d'une bRlsrnce à six composantes.
L'objectif est ici de concevoir une balance permettant de mesurer le torseur complet
des efforts en s'attachant à prendre en compte les spécificités du voilier.
Nous choisissons d'utiliser six capteurs à jauges de contrainte possédant de meilleures
caractéristiques que les capteurs à quartz, notamment une meilleure stabilité en
température. Plusieurs cas peuvent être envisagées pour disposer les capteurs. La
disposition retenue tient compte non seulement du
dimensionnement des piècesmécaniques mais également des composantes du torseur que nousdésirons privilégier pour le voilier. Dans la suite du texte nous appellerons cette balance: "balance 6C0".
1.3.3.1 Reconstitution du torse urdes efforts àpartir des mesures sur les six
capteurs.
La figure 1.12 est une vue en perspective de la balance 6C0 complète qui est également
illustrée sur la planche photographique N°1-c, page 75. La figure 1.13 décrit la disposition
des six capteurs:
- Un capteur C1 dans la direction de traction n'intervient que pour la mesure de la traînée.
- Deux capteurs transversaux C2 et C3 reprennent les efforts de portance et les moments de
roulis et de lacet.
- Trois capteurs verticaux C4, C5 et C6 mesurent principalement les moments de roulis et de
tangage puisque la maquette est libre en pilonnement, les efforts verticaux ne sont alors dus qu'aux frottements.
Le repère (Ob,X,Y,Z) est défini comme suit: Ob est l'intersection de l'axe de la colonne et de
celui du capteur de traînée. L'axe (ObX) est dirigé vers l'avant, dans la direction du capteur
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
[t] = FX FY FZ MX MY MZ
Chap I: Méthodologie des essai.s de ,oiliers en bassin de carènes
Soient F la mesure en Newton et (dx,dy,dz) les normes des positions du capteur C avec: dz3 = dz2
dy5 = dy4
Le torseur [t] est ainsi reconstitué dans le repère (Ob,X,Y,Z):
F1 F2 + F3 F4 + F5 + F6 (F2 + F3).dz2 + F6.dy6 + (F4 + F5).dy4 F4.dx4 - F5.dx5- F6.dx6 F3.dx3 - F2.dx2
La matrice théorique pour calculer les efforts à partir des mesures des capteurs est donc la suivante:
Afin de dimensionner les capteurs, cette matrice est inversée et multipliée à un torseur test [t] déterminé par un calcul V.P.P., en tenant compte également de la masse de la structure.
Plusieurs cas sont pris en considération, les composantes des efforts n'étant pas
simultanément maximales:- Mise en gîte de la maquette à l'arrêt ( création d'un moment pur MX).
- Cas de fonctionnement normal.
- Cas extrême en vitesse ou en gîte et dérive.
Les dimensions de la balance sont alors réajustées autour des valeurs données par le calcul de la structure afin d'optimiser la gamme de fonctionnement des capteurs.
Les capteurs sont reliés, d'une part, à la partie fixe de la balance, d'autre part, à la partie sensible par des tiges usinées de telle sorte qu'elles limitent le couplage entre les différentes composantes. Des butées mécaniques sont réglées sur chaque capteur à sa déformation
maximum, qui dépend de son étendue de mesure.
i
o o o o o oi
i
o o o [Cth] = o O O o dz2 O o dz2 Oi
dy4 dx4i
dy4 idy6 telle que [t] = [Cth].[F]
WafTichee +
14f
.MZmesuré.
MZtor
Chap I. Met hodol.ogie des essais devoiliers en bassin decarènes
1.3.3.2 Orientation de la carène.
La méthodologie est ici un peu différente de celle adoptée lorsdes essais avec la b2lance 3C.
Les efforts sont transmis à la balance par une seule colonne, guidée par deux systèmes à
trois galets, dont la masse est compensée afin de ne pas modifier l'équilibrage de la
maquette. La colonne est en aluminium et les galets en ertalon, matériau plus mou que l'aluminium. La colonne peut être fixe ou libre en pilonnement; celui-ci est mesuré par un
capteur différentiel à variation linéaire LVDT.
La mesure des efforts se fait dans un repère dont les axes sont parallèles aux axes du bassin
d'essais puisque la balance reste fixe lorsqu'une dérive estimposée:
Une pièce composée de deux parties permet le réglage de la dérive: une partie est solidaire de la colonne et l'autre est fixe en rotation mais peutcoulisser verticalement sur un rail pour
suivre les mouvements
de la colonne. Une vis sans fin munie d'un capteur
potentiométrique rotatif et reliant ces deux parties permet alors le réglage de la dérive en imposant une rotation de l'ensemble colonne-maquette comme indiqué sur la figure 1.12. Nous mesurons la raideur de la colonne pour évaluer la souplesse du montage et connaître
la dérive vraie par rapport
à la dérive affichée. Pour différents chargements, nousappliquons donc à l'arrêt: un moment pur MZtor sur la maquette et mesurons la dérive í
due à cette torsion.
Cette correction de torsionest faible puisque nous
obtenons: MZtor = 0.007,mais elle sera prise en compte dans l'expression de la dérive "vraie":
La position de la carène est maintenant imposée par un"orienteur", reliant l'extrémité de la
colonne au plancher de la maquette. Cette pièce permet de fixer les angles de gîte et
d'assiette, ce réglage s'effectuant mécaniquement par des piges sur des pistes graduées en degrés (-5°/5° pourl'assiette et -30°I+10° pour la gîte).
Dans la plupart des cas, l'assiette est libre et est alorsmesurée par un capteurrotatif.
Un capteur à jauges de contrainte, du même type que ceuxutilisés pour la balance, mesurele
moment de roulis directement au niveau de l'orienteur. Il permet de contrôler la mesure
donnée par la balance 6C0 ainsi que d'avoir une mesure directe pour les réglages.
Le point de traction avec ce montage se situe légèrement au dessus de la flottaison à
l'iictionhi ìoii11n nateriahsant
les axes d'assiette et de gîte Sa cote par rapport au"zéro" de la balance est mesurée à chaque essai pour pouvoir transposer le torseur mesuré en un point de la maquette. Afin de compenser la différence de hauteur du point de traction
par rapport au
point de poussée vélique, un moment My est imposé en déplaçant longitudinalement une masse. Les essais réalisés avec cette balance sont illustrés sur laChap I: Méthod'Jogze des essais de voiliers en bassin de carènes
1.3.3.3 Comparaison des mesures réalisées avec lesbalances 3C et 6C0.
La figure 1.14 suivante montre l'évolution du coefficient de résistance résiduaire du
WOR 60' en traction droite, en fonction du nombre de Froude. Les mesures sont issues de
plusieurs campagnes effectuées, avec la balance 3C, point de traction au voisinage du centre de voilure et avec la balance 6C0 en compensant la différence de hauteur par un déplacement
longitudinal de masse.
Figure 1.14 WOR 60'. Comparaison du coefficient de résistance résiduaire, balances 3C et6C0 sans prise en compte du fardage des balances.
Les mesures "3C" sont supérieures d'environ 15% aux mesures "6C0". La répétitivité des
essais réalisés avec la balance 6C0 sera déterminée au paragraphe 1.6. Sur unejournée d'essais, les essais sont répétitifs à environ 1%. La répétitivité des essais réalisés avec la balance 3C a simplement été évaluée en comparant les résultats de quelques essais répétés
dans la journée, elle est de l'ordre de 2 à 3%. Nous pouvons vérifier sur la figure 1.15 que les
positions dynamiques de la maquette sont comparables. Malgré un certain pour les
grands nombres de Froude on a un bon accord jusqu'à Fn = 0,4. L'écartobtenu súr la traînée n'est donc pas dû à une différence de position dynamique de la maquette entre les deux montages.
Figure 1.15 WOR 60'.Comparaison de la position dynamique de la maquette, balances 3C
et6C0.
Les mesures présentées sur la figure 1.14 ne tiennent pas compte du fardage respectifdes balances. Nous avons donc réalisé des essais "à vide" des balances.
La balance 3C est munie de ces colonnes, par contre il n'a pas été possible de monter
également la structure encarbone permettant de rehausser le point de traction car elle n'est
pas fixe en rotation.
La balance 6C0 est munie de la colonne et de l'orienteur.
Nous avons mesuré le fardage des balances et de l'ensemble du montage fixé sur les
maquettes.
La figure 1.16 montre que l'écart entre les coefficients de résistance résiduaire s'amenuise
lorsqu'on retranche aux mesures le fardage respectif des balances. Nous remarquons
cependant que les mesures 3C restent légèrement supérieures, surthut aux grands nombres de Froude. Cet écart peut être dû, soit aux écarts surla position dynamique pour les grands
nombres de Froude, soit au fait que le fardage de la structure rehaussant le point de traction
n'est pas retranché aux mesures3C, ce fardage n'étant peut être pas négligeable aux grands
nombres de Froude.
Chop I: Met h-x2ologievi essais de voiliers en bassin de carènes
E C. E C 10 C o o 15 o-20 00 01 02 03 04 05 06 Nombre de Froude Bawce3C. a awce6C.
I
I
Chap I: Méthodologie des essais de UOilier8 en bassiflde carènes
Figure 1.16 WOR 60'. Comparaison du coefficient de résistance résiduaire, balances 3C et 6C0 avec prise en compte du fardage des balances.
1.3.3.4 Critique de ce second montage, spécificités des mesures réalisées avec la balance 6C0.
Comme nous venons de le voir, les mesures réalisées avec les deux balances présentent un
assez bon accord, ce qui nous assure de leur validité.
Cependant, l'utilisation de la procédure avec la balance 6C0 a
permis d'augmenterconsidérablement la qualité et la fiabilité des mesures, notamment leur répétitivité, comme nous le verrons ultérieurement au paragraphe 1.6.
De plus, certains phénomènes ont pu être mis en évidence et quantifiés grâce à la mesure
des six composantes.
Par exemple, le cas où la maquette est tractée en gite sans dérive a pu être réalisé avec la balance 6C0. Nous avons mesuré un moment de lacet M alors que la portance est très faible.
Ce moment n'est donc pas dû ici à la portance des appendices, mais à la dissymétrie de l'écoulement lorsque la carène est gîtée. La portance mesurée dans cette configuration est faible et de sens opposé à celle qu'on aurait en fonctionneme,xt avec un angle de dérive.
o
Chap I: Met ho&ilogie des essais de voiliers en bassin de carènes
Lorsque 4>> 0 dans le repère (O,X,Y,Z),Mz > 0. Ce moment varie linéairement en fonction
de la gîte pour le WOR 60', comme pour les carènes de type ACC comme le montre la figure
1.17. Sur cette figure sont représentés les points expérimentaux ainsi qu'une droite de
régression au sens des moindres carrés obtenue à partir de ces points.
0.0035 0.0030 0.0025 N 0.0020 o 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 Essas en basn. Moindres caTés.
Figure 1.17 ACC. Moment de lacet en fonction de la gîte.
Si nous désirons mesurer ce type de phénomène, il convient donc d'utiliser la balance 6C0.
10 15 20 25 30
Chap I: Méthodologie des essaie de voiliers en bassin de carènes
L3.4 Passage à une bLm BC1 pour des grandes
maquettes.
La balance 6C0 décrite précédemment peut être considérée comme un prototype. Elle a
subi de nombreuses améliorations au cours de sa mise au point et donne de très bons résultats. Cependant, afin de pouvoir tester des maquettes plus conséquentes, il est
nécessaire de redimensionner l'ensemble des pièces.
Nous avons donc conçu une autre balance nommée 6C1 ainsi qu'un autre orienteur de
carènes. Ils sont basés sur le même principe et bénéficient des améliorations issues des résultats obtenus avec le modèle prototype. L'ensemble des pièces est dimensionné pour
pouvoir tester des maquettes de voilier à l'échelle 1/3. Afin de ne pas obtenir des dimensions
trop importantes nous avons dû utiliser des matériaux ayant un bon rapport rigidité/masse.
Ainsi, la partie sensible de la balance est en sandwich-carbone et le bras de liaison de
l'orienteur est en carbone.
Les angles de gîte et dérive sont imposés par des vérins motorisés munis de potentiomètres.
Afin de réduire la torsion du montage, le réglage de la dérive s'effectue au niveau de
l'orienteur et non en milieu de colonne comme c'était le cas sur la première balance 6C0.
Celui-ci s'effectue entre deux bras de liaison: l'un étant solidaire de la colonne qui est fixe
en rotation et l'autre de l'orienteur qui pivote. Une mesure de la correction de dérive en fonction du moment MZ mesuré permet d'obtenir: = 6. 1O soit environ dix fois
MZtor
mieux que pour le premier montage 6C0.
La figure 1.18 est une représentation de cette balance 6C1 et de l'orienteur qui sont également illustrés sur la planche photographique N°1-b page 75.
Des essais préliminaires sont réalisés avec cette balance sur une carène ACC de référence
pour laquelle nous avons des résultats à l'échelle 117e. Nous décrirons au paragraphe 11.4 l'étude réalisée pour quantifier les effets d'échelle sur les mesures des efforts.
L4.1 Montages expérimentaux
1.4.1.1 Equilibrage de la maquette eninertie
La maquette est libre en tangage et pilonnement, il convient de l'équilibrer en
inertie de tangage pour les essais surhoule de face.
La position du centre de gravité n'est bien entendu pas en similitude avec le réel. Il faut tenir compte de cet écart pour calculer l'inertie à imposer à la maquette,l'inertie du bateau réel étant connue. Dans un premier temps, nous allons déterminer la position de son centre de gravité.
Un calcul de stabilité permet de connaître la position du centre de carène C de la maquette ainsi que la position longitudinale de son centre de gravité G. Sa cote verticale peut être déterminée en considérant la position d'équilibre lorsqu'on impose à la maquette une gite à l'arrêt, comme indiqué sur la figure 1.19.
Dans le repère bateau: l'état d'équilibre est donné par:
CC' d
oG=oC +
tan(4) sin(4) Mxavec: d =
-g. ¿\Chap I: Méthodologie cies essais deuoilicrs en bassin de carènes
Figure 1.19 Stabilité en gîte.
(RI.1) (RI.2)
m.g.6
T2
-
4,t2L4.1.2 Mesure de la houle
Le bassin de traction est muni d'un batteur permettant de générer une houle de face
pour des fréquences allant jusqu'à 2 Hz et des hauteurs inférieures à 50 cm. La position du
verin actionnant le volet du batteur
est pilotée par un micro-ordinateur qui permetd'imposer la consigne de fréquence et d'amplitude.
Des sondes à houle permettent de mesurer l'amplitude et la fréquence de la houle. Pour la
mesure de la houle initiale, deux types de sondes sont placées à l'avant du bassin. Une
première sonde de type résistif constituée de deux tiges en inox parcourues parun courant permet de mesurer une différence de potentiel suivant la hauteur d'eau le long des tiges. Une deuxième sonde est utilisée, il s'agît d'une sonde électronique composée d'une pointe
très fine asservie de manière à suivre l'élévation de la surface libre.
Un deuxième micro-ordinateur enregistre les signaux. Préalablement à une série d'essais,
nous étalonnons la houle en établissant un coefficientpermettant de passer de la consigne à l'amplitude réelle de la houle. Ce coefficient dépend de la hauteur d'eau dans le bassin et de
la fréquence.
Chap I. Métho.dologie des essais de voiliers en bassin de carènes
Pour un angle de gîte 4), il est donc nécessaire de connaître le moment Mx. Nous allons le mesurer par un essai statique enbassin.
Une quinzaine de gîtes différentes sont imposées et permettent de calculer à chaque fois la
valeur de oG à partir des relations Ru et RI.2
L'écart entre ces valeurs est de l'ordre de +/-0.5 mm soit +1- 1% de la valeur moyenne.
Nous pouvons donc maintenant calculer l'inertie de la maquette par rapport à l'inertie
réelle en tenant compte de la position du centre de gravité.
La procédure d'équilibrage est la suivante: la maquette est suspendue entre pointes à son centre de gravité. Elle est équilibrée dans un premier temps comme pour u.n essai sur eau calme en assiette nulle. Nous déplaçons ensuite longitudinalement une masse m d'une
distance 6 par rapport au centre
de gravité. Ceci revient à imposer des oscillations d'amplitude O à la maquette, l'angle O étant petit. Nous mesurons la période de cesoscillations T, puis calculons alors I, , le moment d'inertie en tangage:
+ m.g.&O = O
avec8 =
d'onde k et de la direction d'avance U:
= o - U.k.cos(a)
Les signaux des mesures d'efforts et de mouvements
Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carènes
Cet étalonnage nous permet d'imposer une consigne pour la houle souhaitée mais nous contrôlerons tout de même lors des essais les caractéristiques de la houle initiale.
Les mesures des deux sondes présentent une assez bon accord. Néanmoins, l'amplitude
obtenue avec la sonde asservie est inférieure à celle mesurée avec la sonde à 2 fils (-0.5%). En effet, l'asservissement n'est pas assez précis pour que la pointe suive parfaitement la
surface libre au niveau des crêtes et des creux.
Une sonde asservie est également montée sur le chariot en avant de la maquette pour contrôler la fréquence de rencontre et mesurer le déphasage. Son signal est enregistré simultanément aux mesures d'effort et de mouvement de la maquette sur le même micro-ordinateur. Les mesures des efforts et des mouvements sont effectuées comme pour les
essais sur eau calme avec la balance 6C0.
L4.2 Méthodes de traitement des essais sur houle et résultats.
1.4.2.1 Analyse des essais.La houle imposée ici dans le bassin est monochromatique et sinusoïdale d'amplitude
a, de pulsation cow, de nombre d'onde k, de direction de propagation a=180° (houle de face)
et satisfait la relation de dispersion, h étant la profondeur d'eau dans le bassin.
= g.k.th(k.h) (RI.3)
Le comportement d'un navire avançant dans la houle est caractérisé par la fréquence de rencontre. La pulsation de rencontre We s'exprime en fonction de la pulsation o,, du nombre
de propagation a de la houle incidente ainsi que de la vitesse
seront traités par analyse statistique et FF1' (Fast Fourier Transform, algorithme de Cooley-Tuckey). Nous en déterminerons la valeur moyenne, l'amplitude, la fréquence,
l'amortissement et le déphasage.
Nous nous intéressons à la résistance ajoutée sur houle c'est-à-dire que la traînée sur eau calme est retranchée à la valeur moyenne de la traînée sur houle.
Nous déterminons également les amplitudes des mouvements de tangage et pilonnement.
Les essais ont été réalisés sur une carène de type ACC, en traction droite à une vitesse
donnée ( Fn=0,35 ) puis en gite et dérive avec angles de trimmer et safran pour la même
vitesse. Une première campagne de faisabilité des mesures et d'essai du montage est
effectuée. Une deuxième campagne complémentaire consiste en un balayage plus précis des
fréquences de houle incidente permettant d'obtenir une courbe complète avec la résonance,
pour les deux configurations en traction droite puis en gîte et dérive.
(RI.4)
Chap I: Méthodologie essais de voiliers en bassin de carènes
1.4.2.2 Résultats.
Les résultats sont présentés de manière classique en fonction de la période de houle;
La résistance ajoutée rapportée à l'amplitude de houle au carré est représentée figure 1.20. L'amplitude de pilonnement rapportée à l'amplitude de houle est représentée figure 1.21. L'amplitude de tangage rapportée à la cambrure de lahoule est représentée figure 1.22, la cambrure étant définie par le rapport de l'amplitude sur la longueur d'onde, soit enradians:
2.7t.a
= k.a.
Le pic de résonance au bassin à l'échelle 117e est obtenu au voisinage d'une période de 1.5 s,
que ce soit pour la résistance ajoutée, l'amplitude de pilonnement ou l'amplitude de
tangage. Cette période qui correspond à environ 4 s au réel est éloignée des périodes de houle
rencontrée en pratique.
U n'y a pas d'écarts
importants, que ce soit de résistance ajoutée ou d'amplitude demouvements pour les deu.x types d'essais en traction droite et entraction en gîte et dérive.
Une bonne répétitivité des mesures est obtenue entre les deux campagnes, toutefois la
dispersion des résultats est assez importante pour les périodessupérieures à 2.5 s au bassin.
La mesure de la fréquence de rencontre coïncide bien avec le calcul théorique, c'est la
fréquence d'évolution des efforts et des mouvements.
Un essai sur houle estillustré sur la planche photographique N°3-a page 83.
£
P6riode de houle Tw (s)
drot 1e
Traction bis 2e)
G1tetdth,e1e)
Gite et d&ìve ¿2e)
3 4 essais en bassin.
aa
L 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000Chap I: Méthodologie des essais de voiliers en bassin de carène8
Figure ¡.21 ACC. Amplitude de pilonnement: essais en bassin.
Période de houle Tw (s)
Figure 1.22 ACC. Amplitude de tangage: essais en bassin.
2.0 1.5 cc a s 1.0 e -0.5 0.0 a s a a 3 4 2 o
Chap I: Méthodologie cies essais de voiliers enbassin de carènes
1.4.2.3 Amortissements etfrottements.
Bien que s'efforçant de réduire au maximum les causes de frottement dans le
montage, il n'est pas possible de les éliminer entièrement.
Ainsi, l'analyse des résultats nous montre que la mesure de la force verticale Fz qui est
négligeable sw- eau calme ( environ 0,6 N) est maintenantimportante ( environ 3 N ). Cette
composante correspond au frottement de la colonne sur lesgalets de guidage et induit un
amortissement du pilonnement. Les axes de rotation sur l'orienteur sont montés sur
roulement à billes. Toutefois, lors d'essais sur houle, des frottements peuvent intervenir sur
l'axe d'assiette et réduirel'amplitude des mouvements de tangage.
Lors de l'extrapolation au réel des résultats expérimentaux, il faudra donc prendre garde à
tenir compte de ces amortissements sur les mouvements.
m
Ad r?/ic.%e
?ø1&
2
b&c7(
2
Chap I: Méthodologie dea essaie de voiliers en bassin de carènes
Nous allons dans ce paragraphe décrire la procédure d'étalonnage des balances six
composantes et calculer la précision des mesures réalisées avec ce type de balance.
Nous qualifierons la précision de l'étalonnage en comparant dans un premier temps la
matrice obtenue à la matrice théorique. Nous déterminerons ensuite les sources d'erreur
sur l'étalonnage. Un calcul d'erreur tenant compte des imprécisions théoriques sur les
capteurs ainsi que des imprécisions de la procédure d'étalonnage sera enfin effectué.
Nous appellerons charge nominale, la charge mesurée pour un essai dans une
configuration classique de fonctionnement.L5.1 Procédure d'étalonnage.
Nous avons vu au paragraphe 1.3 que le torseur des efforts est obtenu par
multiplication des valeurs des capteurs par une matrice. Pour le dimensionnement des capteurs, la matrice utilisée est théorique et est définie à partir de la géométrie de labalance. Pour les mesures, il convient maintenant de prendre en compte les coefficients
propres des capteurs Volts --> Newtons ainsi que les éventuels coefficients de couplage entre
les différentes composantes. Tous ces coefficients sont déterminés simultanément et
permettent d'obtenir la matrice d'étalonnage suivante: [C] = [Cth].[ic] + [e] telle que ['r] = [C].[V] V1 étant la valeur en Volt du capteur C,
k] la matrice colonne des coefficients de conversion Volts --> Newtons, [e] la matrice des coefficients de couplage.
['cl étant la valeur des efforts mesurés.
Pour chaque balance six composantes, un châssis d'étalonnage a été conçu. Il est muni de poulies usinées dont la position est parfaitement connue dans le repère (Ob,X,Y,Z). Des points d'attache situés sur la partie sensible de la balance, permettent d'imposer des cas de
chargement précis par l'intermédiaire des poulies. Les six composantes du torseur
d'étalonnage appliqué sont connues, les forces et également les moments puisque lesdistances des points d'application sont précisément connues. Ce châssis est monté sur la partie fixe de la balance et permet donc de contrôler l'étalonnage au cours d'une campagne d'essais, lorsque la balance est installée sur le chariot de traction. Afin de déterminer les 36 coefficients de la matrice, il est nécessaire d'appliquer au minimum 6 torseurs différents. Il est également intéressant de faire varier les cas de chargement.
