Rapport d’activités 1990-93 - Laboratoire de Mécanique des fluides

ECOLE CENTRALE DE NANTES

&

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

T.

::

VESTT

Lc5oratorium voor Scheepshydromechag Archef Mekolweg 2, 2628 CD De!ft TL 015- 7Q873 Fac 015 75ic3

Rappport d'activités

1990-93

Laboratoire de Mécanique des Fluides

URA 1217

Responsable : P. SULMONT

Responsables des Divisions

DHN:

P SULMONT

DMN:

J.

PIQUET

FICHES DES TRAVAUX SCIENTIFIQUES DE LA

DIVISION HYDRODYNAMIQUE NAVALE

Thème 1: ECOULEMENT A SURFACE LIBRE

1.1. RESISTANCE DE VAGUES

- Modélisation linéaire de la résistance de vagues par la méthode de Dawson - Modélisation linéaire de la résistance de vagues par différents algorithmes - Modélisation non linéaire de la résistance de vagues

- Etude théorique et expérimentale des non-linéarites de surface libre - Simulation numérique d'écoulements à surface libre:

résolution des équations de Navier-Stokes - Couche limite tridimensionnelle et surface libre - Maillage de carènes automatique

- Mesure des écoulements sur l'arrière des carènes

1.2. DIFFRACTION-RADIATION

- Evaluation des efforts du second ordre sur une structure soumise à une houle aléatoire

- Diffraction-radiation bidimensionnelle en fluide réel

- Oscillations des corps flottants au point fixe ou avec vitesse d'avance faible en profondeur infinie ou finie uniforme

- Diffraction-radiation avec vitesse d'avance quelconque

1.3. REGIME INS TA TIONNA IRE

- Technique d'identification en hydrodynamique instationnaire - Hydrodynamique instationnaire des fluides parfaits à surface libre - Absorption dynamique des ondes de gravité

1.4. ECO ULEMENTS INTERNES

- Simulation numérique des mouvements bidimensionnels de fluide visqueux dans les réservoirs.

Etude du sloshing

- oscillations des liquides dans des réservoirs et couplage avec le problème extérieur

-3-1.5. MECA NIQUE DE COMPORTEMENT

- Etude expérimentale du comportement dynamique des voiliers.

- Etude expérimentale du comportement dynamique des navires en conditions d'autopropulsion

- Etude du mouvement de roulis de grande amplitude Prise en compte des amortissements

Thème 2: HYDROELASTICITE

- Cylindre rigide instrumenté

- Dynamique dun engin sous-marin remorqué par câble

- Etude de l'équilibre des surfaces reticulées placées dans un courant uniforme Application aux chaluts pélagiques

- Application de la méthode des tourbillons discrets - Etude du phénomène de diffusion visqueuse

ETUDES CONNEXES:

SURFACE PORTANTE

- Ecoulement portant autour d'une surface souple - Equilibre du sillage pour deux voiles en interaction - Ecoulement impulsif autour de deux profils en interaction

METROLOGIE

- Vélocimétrie Laser à effet Doppler

- Procédure de génération de la houle aléatoire et d'analyse des essais sur houle

o SYMETRIE 1036 POINTS 925 FACETTES o _SYMETRIE 1045 POINTS 927 FACETTES 6cXO - 5000-C) 3000-REV*.. Th(ft..&-Q RZVA. --a...Rfl.C7T17C -- a... CT.CE!TT RX DERIVE 2 degre 0.0 0.1 03 03 Nombre de Froude.

Résistance de vagues en fonction de la vitesse pour une dérive imposée, la gîte, l'enfoncement et l'assiette étant libres. Traction par le centre de voilure.

n-,=

Carène de type WOR. Surface mouillée de la carène au repos.

Carène de type WOR. Surface mouillee de la carène à 11,6 noeuds.

REVA

--.

1,

!IIIiII

0

1___& 1UL UIII1

_U1III41

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r-' A .1î3P! -.--- ','e"i

_4lUIili

DEFORMEE DE SURFACE LIBRE (M)

V: 5.982 M/S

L.M.F.-D.H.N. E.C.N. NANTES URA 1217 DU C.N.R.S.

> 0.31 0.27 - 0.31 0.24 - 0.27 0.20- 0.24 0.17- 0.20 0.13- 0.17 0.10- 0.13 0.06- 0.10 0.02- 006 .001 - 0.02 -0.01 0.05 -0.12- -0.08 -0.15- -0.12 -0.19- -0.15 -0.23- -0.19 --E:-. -0.26- -0.23 -0.30' -0.26 -0.33- -0.30 < -0.33 0.5 0.4 L_. J

EJ

[-J

1 J

1.1 Résistance de vagues

MODELISATION LINEAIRE DE LA RESISTANCE DE VAGUES

PAR LA METHODE DE DAWSON

Position du problème:

La résistance de vagues est la composante de la résistance à l'avancement d'une carène due à la formation de vagues, la plus grande part de la résistance résiduaire étant due à la résistance de

frottement. Contrairement à cette dernière, la résistance de vagues est très sensible aux petites

modifications de la forme de la carène.

Travaux réalisés

Le problème de la résistance de vagues (résistance à l'avancement d'une carène en fluide

parfait) a été étudié dans le laboratoire depuis 1974. Entre 1974 et 1978, différents travaux ont été

effectués concernant le calcul de la résistance de vagues des bateaux minces par la méthode de

Guilloton et par une méthode de singularités de Kelvin pour des carènes entièrement immergées.

Depuis 1978, différentes études complémentaires ont été menées, les programmes utilisant la

méthode Guilloton ont été modifiés pour tenir compte de l'enfoncement et de l'assiette dynamique des carènes et la méthode des singularités de Kelvin a été étendue au cas des navires de surface. Les limitations importantes de ces deux méthodes nous ont conduit à envisager ùne autre formulation

pour ce problème, basée sur l'utilisation des singularités de Rankine et du schéma de différences

finies de Dawson. Le code développé depuis 1985 (REVA) permet de traiter la plupart des types de carènes éventuellement avec un fond et des parois et est utilisé industriellement pour l'optimisation des formes au stade de l'avant-projet, en parallèle avec les essais sur modèle.

Les travaux réalisés ont eu essentiellement pour but d'étendre le champ d'application du

programme REVA et d'améliorer la précision des résultats. La condition de Joukowski non linéaire

sur les profils portants est prise en compte en utilisant la méthode de Hess. Le cas des navires à coussin d'air et à effet de surface a été traité. Le torseur complet des efforts s'exerçant sur des

navires naviguant côte à côte, a été calculé. Le cas des voiliers en gîte et dérive a été traité et a fait

l'objet d'expériences de validation. Des travaux théoriques de justification des schémas de

différences finies utilisés ont été réalisés (Thèse de J.J. Maisonneuve 1989). Enfin le cas des

voiliers munis d'appendices multiples a été traité.

Perspectives

Un maillage de la surface libre en O, associé à une condition de surface libre écrite en

coordonnées curvilignes devrait permettre de résoudre certains problèmes de discrétisation autour des carènes de voiliers. Les développements en cours ont pour but d'améliorer la convergence et la fiabilité des résultats pour ce type de carène.

Personnel:

G. DELHOMMEAU

,

SOU2D

0.0 -25.0 4 3 2 i O

i-

__

I_-I____

i

i

I______-

_-_______

i

-COMPARAISON DES METHODES SOURCE PONCTUELLE BIDIMENSIONNELLE

101 POINTS SUR -5,20 KO = 2 -EXPES MAXI EXPES MINI --CW3 DAWSON --C3 IIERTRAM --CW3 NAKATAKE

COMPARAISON DES METHODES

WIGLEY 4O'5 LIBRE

SURFACE LIBRE (15+40+15)*15 0 0 0.05 0.1 4 3 2 1 o 0.15 02 0.25 03 0.35

04

0.45 FROUDE 25.0 Cr) * *

o

* L) O METHODE DE BERTRAM - THEORIE NEUMANN-KELVIN O METHODE DE NAKATAKE - THEORIE NEUMANN-KELVIN

DAWSON SOURCES LINEAIRES

- THEORIE NEUMANN-KELVIN

+ DAWSON SOURCES CONSTANT1..

- THEORIE NEUMANN-KELVIN

-4

4 8 12 16 20

X(M)

0.0

1.] Résistance de vagues

MODELISATION LINEAIRE DE LA RESISTANCE DE VAGUES

PAR DIFFERENTS ALGORITHMES

Position du problème:

La difficulté essentielle de la résolution du problème de la résistance de vagues provient de

la façon de satisfaire la condition de surface libre, et en particulier la condition de radiation qui

traduit le fait que les vagues se propagent derrière la carène.

Travaux réalisés

Une étude systématique des différents algorithmes permettant de satisfaire cette dernière

condition a été réalisée. Les méthodes utilisées sont au nombre de trois:

- La méthode de Nakatake:

Cette méthode, développée à l'Université de Kyushu par K. Nakatake, consiste à satisfaire la

condition de radiation par un décalage entre les singularités de la surface libre et le point de

contrôle où l'on calcule les influences des coefficients, le point de contrôle de chaque source étant

situé en amont de la singularité. Les coefficients dinfluence sont par ailleurs calculés par des

formules analytiques exactes, y compris ceux des dérivées secondes. - La méthode de Söding, Jensen, Bertram

Cette méthode a été développée à l'Université de Hambourg. Elle consiste à satisfaire la

condition de radiation par un double décalage entre les singularités de la surface libre et le point de

contrôle. Les singularités sont décalées comme dans la méthode de Nakatake, mais sont de plus

situés à une certaine distance au dessus de la surface libre au repos. Les coefficients d'influence sont calculés par des formules asymptotiques approchées ou par des intégTations surfaciques numériques

de type Gauss pour les distances les plus faibles. Dans cette méthode, les discontinuités des

singularités n'existent plus. - La méthode mixte:

Cette méthode a été développée à l'occasion de cette étude. Elle est très proche de la

méthode utilisée par H. Raven au MARIN de Wageningen pour le calcul de la résistance de vagues

non-linéaire. Les singularités sont décalées comme dans la méthode précédente, mais les

coefficients d'influence sont calculés par des formules analytiques exactes.

Ces trois méthodes ont été essayées en bidimensionnel et tridimensionnel et comparées aux solutions analytiques pour une source ponctuelle dans le cas du problème de Neumann-Kelvin. Les

résultats ont aussi été comparés à ceux du schéma de différences finies de Dawson pour des

singularités constantes et à variation linéaire. Dans tous les cas, la méthode de Nakatake donne de bien meilleurs résultats que la méthode de Dawson, avec cependant une atténuation de la hauteur de la première bosse. La méthode de Söding donne des résultats encore meilleurs, particulièrement en

tridimensionnel, lorsque le décalage vertical est égal au pas de la discrétisation en x. Pour des formes de carènes réalistes, ces résultats ne se confirment pas toujours, car la méthode devient

sensible à la discrétisation qui doit être réalisée avec un pas constant en x pour obtenir une

convergence des résultats et des hauteurs de vagues réalistes. Par ordre de précision pour un coût informatique donné, la méthode de Dawson donne les meilleurs résultats, suivi par la méthode de Nakatake et la méthode mixte. La méthode de Söding nécessite un maillage plus fin pour donner de bons résultats.

Perspectives

RW

tt

FN = 0.397 EYE X = 300.0 Y = 400.0 Z= 150.0 > 1.465 1.330 - 1.465 1.195 - 1.330 1.060 -. 1.195 0.925 - 1.060 0.790 - 0.925 0.655 - 0.790 0520 - 0.655 0.385 - 0.5 20 0.250 - 0.385 0.115 - 0.250 -0.0 20 - 0.115 -0.155 - -Ö.020 -0.290 - -0.155 -0.425 - -0.290 -0.560 - -0.425 -0.695 - -0.560 -0.830 - -0.695 -0.965 - -0.830 < -0.965 0.4 0.3-0.2 0.1 -0.0 -0.1-0.4 0.3- 0.2- 0.1-0.0 -0.1--0.2 -1.5

NON LINEAR FREE SIJRFA CONDITION

WAVE ELEVATION , IIEIGTII 5

LINEAR FREE SURFACE CONDITION FIGURE 1

WIGLEY TRIM AND SINKAGE FREE

HULL (46*8) ; F.S. (10.+46+15)*12 FN = V/SQRT(G*L) = 0.3 10 1.0 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 FIGURE 2 FIGURE 3 0.5 -1.0 -0.5 0.0 2 *X/J CONVERGENCE AT FN = 0.482 15 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0

1.1 Résistance de vagues

MODELISATION NON LINEAIRE DE LA RESISTANCE DE VAGUES

Position du problème:

Pour améliorer l'accord entre les résultats numériques et expérimentaux, la seule possibilité existante, en conservant l'hypothèse du fluide parfait, est la prise en compte la condition de surface libre exacte. Cette prise en compte ne peut se faire que de façon itérative, puisque la condition de surface libre exacte est écrite sur une surface inconnue a priori.

Travaux réalisés

Dans un premier temps, la carène de Wigley, pour laquelle l'intersection de la carène _avec une surface quelconque est connue de façon analytique, a été utilisée pour tester les algorithmes de

délinéarisation. Cette délinéarisation a été réalisée en séparant le potentiel en deux parties: _une

première partie correspondant à la solution du problème du double modèle et une perturbation de

type double modèle (sur la carène et sur son prolongement au dessus de la surface libre) pour

laquelle on linéarise le problème. Après résolution, le problème du double modèle est mis à jour et l'on calcule une nouvelle perturbation linéarisée avec les singularités disposées sur la surface libre exacte de l'itération précédente. Pour une carène de Wigley, cette méthode donne de bons résultats

et la convergence est réalisée en deux ou trois itérations. Conformément aux résultats de l'étude précédente, la condition de surface non linéaire, qui est mise à jour au cours des itérations, a été satisfaite en utilisant un schéma de différences finies de type Dawson. Les coefficients d'influence des dérivées secondes sont calculés analytiquement, à l'exception de celui en xx qui est calculé par

le schéma de Dawson, de façon à satisfaire la condition de radiation à l'infini.

Pour une carène quelconque, le problème principal à résoudre consiste à intersecter la carène par une surface gauche et à mailler seulement la partie immergée. Pour ce faire, un programme général d'intersection a été réalisé. La phase suivante a été de calculer la carène de Wigley en la considérant non plus comme une carène analytique, mais comme une carène quelconque. Lors de cette phase, il est apparu qu'une perturbation de type simple modèle était plus simple à mettre en oeuvre sur une carène quelconque et aussi rapide en convergence. Le programme de calcul réalisé est actuellement en cours de validation pour tous les types de carènes susceptibles d'être calculés par le programme REVA avec la modélisation linéaire. Les principales améliorations obtenues par rapport au calcul linéaire sont les suivantes

- meilleure prédiction de la résistance de vagues qui est obtenue par intégration des

pressions totales sur la carène exacte.

- amélioration de l'allure du champ de vagues par rapport aux expériences.

- meilleure prédiction de la résistance de frottement si l'on tient compte de la surface

mouillée exacte.

Perspectives

code CCL

- code REVA

SONDE PHOTO

Fig.1 : Mesures de champ de vagues autour de la maquette Maq2O à Fn = 0.25,

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 13 1.6 1 7 VESSES EN M/S 0.1 -0.06 - 0.0$ -0.02 0.0

Fig.2 : Le rôle du dièdre d'étrave sur la hauteur maximale de la vague d'étrave.

Fig.3 : Comparaison des profils de vagues pour Maq2O à Fn = 0.344.

a' E MAQ3O PHOTO 0.06-® MAQ2O PHOTO MAQIO PHOTO 0.04- 0.02-0.0

1.1 Résistance de vagues

ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE

DES NON-LINEARITES DE SURFACE LIBRE

Position du problème:

Les codes de calcul de résistance de vagues en fluide parfait ne permettent pas toujours

d'obtenir avec précision des grandeurs comme la dénivelée de surface libre, en particulier à l'étrave, et de plus ne peuvent prédire le déferlement des vagues.

De façon à améliorer les performances des codes de calculs, une étude expérimentale a été

entreprise en vue de déterminer les déformées de surface libre, les conditions d'apparition du

déferlement et le rôle du dièdre d'étrave pour des formes de carènes simples.

Travaux en cours:

Après une étude bibliographique, les travaux numériques pour l'étude de la vague au

voisinage de l'étrave se sont orientés vers la mise en oeuvre de modèles 2D-l/2. Le code de calculs

CCL a été créé, le code CANAL2 a été extrapolé du code CANAL dont l'objet initial est la

modélisation d'un canal à houle.

Pour étudier le comportement de la surface libre autour d'une carène avec vitesse d'avance, des formes simples de carènes ont été utilisées. Ceci a permis de modifier aisément les paramètres d'étude tels que l'angle de la tangente à l'étrave, la vitesse d'avance. Une série d'essais préliminaires, avec des maquettes fixes à étrave en forme de coin, a permis d'obtenir une première approche du

rôle des paramètres. L'étude actuelle est menée avec trois maquettes amphidromes à bordés

verticaux. Leur forme est définie mathématiquement avec une étrave parabolique dont l'angle de la tangente à l'étrave est respectivement de 10, 20 et 300.

Des essais en bassin d'essai des carènes ont permis de mesurer les déformées de surface libre à l'aide de sondes à houle asservies et de relevés photographiques. Une étude du rôle du dièdre sur

la déformée de surface libre, l'apparition du déferlement en fonction de la vitesse et la résistance à l'avancement est en cours.

Les résultats expérimentaux seront comparés avec les résultats obtenus par des codes de

calculs REVA, CCL et CANAL2 sur les mêmes carènes.

Perspectives

Le rôle des différents paramètres dans l'apparition du déferlement et dans le comportement de la vague à la flottaison est maintenant analysé en exploitant les résultats des mesures fines.

Si les modèles 2D-1/2 n'ont qu'un avenir incertain du fait des grandes différences entre

leurs résultats et ceux des essais, le code non linéaire REVA pourrait tirer profit de ces travaux.

Personnel:

F. LARRARTE

0.03 0.02 0.015 0.01-0.0 zu =-0,0375 u u u u P4 IB P4 p.. zu = -0,0250

Figure 4, velocity profiles at x/i = 0, Re = 4,5.106 and Fn = 0,316

- ELISA calculation D Ali experiments

zu = -0,0125 0.03 0.045 - 0.04- 0.035- 0.03-0.025 0.02- 0.015- 0.01- 0.003-alu ¡III

I

I 0.0 I- ¡ 00 0.2 04 04 03 1.0 1.2 u/va 00 0.2 04 0.6 03 1.0 1.2 u/va 00 0.2 0.4 0.6 03 1.0 1.2 u/va 0.03 0.043 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.003 0.0 0.03 0.045 0.04 0.035

1.1 Résistance de vagues

SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS

A SURFACE LIBRE:

RESOLUTION DES EQUATIONS DE

NAVIER-STOKES

Présentation

La plupart des codes de calcul prenant en compte une condition de surface libre utilisent l'hypothèse du fluide parfait. Cette simplification conduit dans la plupart des cas à l'obtention de

bons résultats tant en ce qui concerne le problème de la résistance de vague que celui de la tenue à

la mer.

Cependant les difficultés que l'on rencontre par cette méthode peuvent, dans leur majeure

partie être imputées à l'application de cette hypothèse simplificatrice. Citons pour mémoire les

problèmes de modélisation sur les tableaux arrière ou d'amortissement pour le roulis.

D'autre part la connaissance de la résistance de frottement qui contribue pour une grande

part à la résistance à l'avancement d'une carène est inaccessible en fluide parfait.

Nous avons donc développé un code de calcul (ELISA) permettant de résoudre le problème de l'écoulement visqueux instationnaire autour d'un navire progressant dans une mer initialement

calme.

Travaux effectués

Le fluide est supposé Newtonien et incompressible et l'on résout les équations de

Navier-Stokes moyennées par une méthode de différences finies. La turbulence est prise en compte par une

modélisation algébrique de type Baldwin-Lomax. Nous écrivons les conditions de surface libre

complètes et proposons une méthode pour lever l'incompatibilité avec les conditions d'adhérence.

Les résultats numériques, obtenus sur une carène de Wigley, par simulation d'un essai de

traction en bassin, pour différents nombres de Froude et nombres de Reynolds montre une bonne

adéquation des calculs avec les résultats expérimentaux tant en ce qui concerne les grandeurs locales (profils de vitesses, champ de pression, élévation de surface libre) que les grandeurs

globales (résistance à l'avancement).

Perspectives futures

- Validation du programme sur des formes plus complexes (Série 60). - Prise en compte de l'équilibre dynamique de la carène (modèle libre).

- Maillage en O sur la surface libre et dissymétrie du maillage pour résoudre le problème de la manoeuvrabilité (navire en giration).

- Formulation couplée vitesses-pression-élévation de surface libre. - Résolution du problème en présence d'une houle incidente.

20

0,0

ligne de quille

2x11

-06 -0.6 -04 -02 0,0 0.2 0.4 0.6 06 10

Carène SSPA double modèle, Re = 5.106, comparaison calculs et expérience

pour l'épaisseur de déplacement sur la ligne de quille.

Carène de Wigley avec surface libre, Fn = 0,3, Re = 4,5. 106, profils de vitesses longitudinales à xii = 0,50 et zu = -0,05.

Carène de Wigley Re = 4,5.106, Fn = 0,3,

1.1 Résistance de vagues

COUCHE LIMITE TRIDIMENSIONNELLE ET SURFACE LIBRE

Présentation

Le code 3C3D de 1'ONERA/CERT, acquis par la société SIREHNA en mars 1990 intègre les équations de couche limite tridimensionnelle le long des lignes caractéristiques.

Ce logiciel permet de calculer des écoulements compressibles ou incompressibles en régime laminaire ou turbulent. Un modèle de turbulence algébrique type longueur de mélange ainsi que des critères de transition mis au point au CERT sont utilisés.

Travaux effectués

- Interface REVA/3C3D

Un programme permettant d'adapter les sorties du code de fluide parfait (conditions aux

limites extérieures et gradient de pression) à l'environnement de 3C3D a été écrit.

- Post processeur graphique

Ce logiciel développé à l'aide de la bibliothèque UNIRAS permet de visualiser les résultats du code sous forme de courbes ou de surfaces tridimensionnelles (épaisseurs intégrales, coefficient de frottement, lignes de courant).

- Initialisation

Une méthode d'initialisation des profils de vitesses fondée sur la résolution des équations de Falkner-Skan a été développée pour le cas des étraves de navires.

- Couplage

La condition de glissement programmée dans le logiciel REVA a été modifiée de façon à

pouvoir réaliser un couplage faible avec le code de couche limite par la méthode des vitesses de

transpiration . Ce processus itératif permet de prendre en compte des effets de couche limite dans le

calcul du champ extérieur.

-Calculs

Les calculs réalisés avec et sans condition de surface libre sur des carènes test telles que la carène de Wigley, la carène SSPA, un ellipsoïde en incidence, ou sur des géométries à caractères

plus industriel (voilier, bulbes de navires) ont montré la bonne adéquation du logiciel avec les

expériences pour des écoulements non décollés.

Le logiciel 3C3D associé au code de calcul REVA constitue donc un bon outil pour l'étude et la compréhension des écoulements visqueux à surface libre.

Personne! B. ALESSANDRINI

G. DELHOMMEAU

F. VILLEGER (Société SIREHNA)

1.1 Résistance de vagues

MAILLAGE DE CARENES

AUTOMATIQUE

Présentation

La plupart des codes de calcul en hydrodynamique sont basés sur une discrétisation du corps étudié, ce qui nécessite un maillage préliminaire. Cette étape longue et fastidieuse limitait jusque là l'utilisation systématique de ces codes. Un programme (MACAO) dont l'objectif est de ramener le temps de maillage à une ou deux heures a été réalisé.

Organisation générale:

MACAO est un logiciel de maillage automatique multibloc de surfaces, adapté aux codes de calculs en hydrodynamique et plus particulièrement aux logiciels de résistance de vagues RENA et

de tenue à la mer AQUAPLUS développés au Laboratoire de Mécanique des Fluides de l'Ecole

Centrale de Nantes.

Le logiciel MACAO permet d'obtenir, moyennant la connaissance de l'ensemble de la géométrie du corps étudié, sous la forme de lignes organisées de façon logique sur la surface (interfaçage CAO possible), un maillage de la carène considérée ne nécessitant qu'un minimum

d'opérations manuelles.'

L'idée générale pour obtenir un maillage final déstructuré est de décomposer la forme

générale du corps, qui peut être très complexe, en plusieurs blocs élémentaires qui seront maillés indépendamment de façon structurée. Les zones d'intersections entre chaque blocs sont déterminées exactement et remaillées à posteriori.

Le maillage structuré de chaque bloc est fondé sur la théorie de l'interpolation "transfinite".

Un maillage initial s'appuyant sur quatre bords limitant le bloc est effectué lors d'une première étape. Dans un second temps ce maillage approché est projeté, de façon itérative, sur la surface

réelle.

MACAO peut traiter le cas particulier des appendices en rotation (safran) et des trimmer sur les quilles.

Personnel:

B. ALESSANDRINI

Lignes de courant superposées au champ d'intensité des vitesses moyennes

en aval d'un tableau arrière

Vt

Champ des vitesses moyennes superposé au champ des taux de fluctuation

en aval d'un tableau arrière

% flu 220 200 180 160 140 1 20 100 80 60 40 20 O 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

Íd

0.10 0.05 0.00

Thème i : Ecoulement à surface libre

1.1 Résistance de vagues

MESURE DES ECOULEMENTS SUR LARRIERE DES CARENES

Position du problème:

Les codes de calcul des écoulements visqueux permettant difficilement de calculer les écoulements dans certaines régions autour des corps tridimensionnels pour des raisons liées au manque de mémoire et au trop grande longueur de temps de calcul ainsi qu'à l'inadéquation des

modèles de turbulence. Pour ces raisons, il est important de pouvoir mesurer le champ de vitesse dans ces régions de façon fine. La technique de la vélocimétrie Laser a été appliquée à la mesure des vitesses en arrière d'une carène.

Travaux réalisés:

L'écoulement sur les arrières corps de navire présentant un fort gradient de pression

favorable à l'épaississement de la couche limite ainsi qu'un tableau arrière immergé fait partie de ces écoulements difficilement accessibles au calcul. Les mesures ont permis de décrire le champ de vitesse dans la zone de recirculation en aval du tableau arrière. Elles ont aussi permis de mettre en évidence l'importance de la couche limite qui se développe sous la partie arrière de la carène, effet

qu'amplifie l'impossibilité pratique d'assurer la similitude de Reynolds. On a pu observer que

l'introduction de rugosité sur les parois de la carène provoque bien une apparition anticipée de la

turbulence, donc une augmentation du Reynolds apparent. Cette augmentation ne se traduit pas,

malheureusement, par une réduction concomittantes de l'épaisseur de la couche limite.

Perspectives:

Le travail précédent sera poursuivi sur d'autres corps perçant la surface libre ou non.

L'identification de la frontière entre la zone de recirculation et l'écoulement à potentiel va être étendu à une plus large gamme de nombre de Reynolds afin d'améliorer la qualité des schémas

retenus dans les codes de calcul.

1.40 1.20 1.00 -J 0.80 0.60 0.40 o ¡ 0.20 0.00 -0.20 -0.40 0.20 0.15 3 0.05 0.00 0.05 -0.10 -0,15 -0.20

STRUCTURE: DDF

STRUCTURE: TPS

a a a X Inst 04 Inst 05 Inst 12 r 23 Inst27 )Aean Mean-1.st.dev. Uean+ lsst.dev. 9 th

'-«--¿

,7\A

'Jì

1111

iii

lilt

im

a

I1

a Inst 05 a _Instl2 * Inst23 i ..' Mean Meon-1.st.dev. I. Mean+lsst.dev. a a £

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09

_{10 11} 12 1.3 14 Frequency. (rad/sec)

Surge force at difference frequency 0.10 rad/sec. Real part

00 01 02 03 04 05 08 07 08 09 10 11 12 13 14

Frequency. c (rad/sec)

Surge force at difference frequency 0.1 rad/sec. Real part. 10 deg. wave heading

1.2 Diffraction-Radiation.

EVALUATION DES EFFORTS DU SECOND ORDRE

SUR UNE STRUCTURE SOUMISE A UNE HOULE ALEATOIRE

Présentation du problème:

Les efforts du second ordre obtenus en intégrant la pression hydrodynamique du second ordre sur la carène comprennent deux parties. La première partie des efforts qui provient de

l'intégrale des pressions dues aux produits de termes du premier ordre et aux termes de correction (calcul sur des surfaces moyennes), peut être obtenue directement une fois résolu le problème du

premier ordre. La seconde partie des efforts (dépendant du potentiel du second ordre) peut être

obtenue sans évaluer explicitement le potentiel du 2nd ordre en utilisant une méthode développée

par B. Mohn. En introduisant un potentiel additionnel et en utilisant la relation de Haskind, la

contribution du potentiel du 2nd ordre est exprimée en deux intégrales de Haskind sur la carène et sur la surface libre pour le cas d'une houle bichromatique. Au cours de sa thèse, X.B Chen a écrit un programme, BOLANG, basé sur cette approche, permettant de calculer les efforts du second ordre sur une structure de géométrie quelconque soumise à une houle bichromatique.

Travaux réalisés

Interfaçage AQUAPLUS BOLANG

Pour déterminer la fonction de transfert des efforts du second ordre pour un spectre complet, il est nécessaire d'effectuer un nombre important de résolutions du problème du premier ordre. Il devient alors particulièrement intéressant de pouvoir calculer rapidement ces quantités du 1er ordre, ce qui peut être réalisé par le code AQUAPLUS, utilisant une tabulation de ha fonction de Green.

Dans ce but, nous avons écrit un programme d'interface et effectué des tests, nous assurant

ainsi de la compatibilité dAQUAPLUS et de BOLANG. De plus, cette solution nous permet de

tenir compte de l'influence d'une faible vitesse d'avance dans le calcul des efforts du second ordre avec les mêmes hypothèses que dans AQUAPLUS.

Comparaison des résultats avec ceux d'autres codes : Workshop FPS 2000

Le programme réalisé nous a permis de participer au Workshop FPS 2000 (Bergen

-Décembre 1989). II s'agissait de calculer les coefficients hydrodynamiques, les efforts du 1er et du 2nd ordre et les mouvements de réponse pour deux unités de production offshore : une plate-forme

(DDF) et un bateau ancré (TPS). Ceci a permis de comparer nos résultats à ceux d'autres

organismes, plus particulièrement pour les efforts du second ordre pour lequel tous les paramètres ne sont pas encore parfaitement maîtrisés. Les fonctions de transfert des efforts du second ordre de basse fréquence ont été calculées par 5 organismes pour la plate-forme (DDF) et seulement par 3

organismes pour le bateau ancré (TPS), parmi les 23 organismes qui participaient à cette étude

comparative. Nos résultats (organisme n°23 sur les figures suivantes) sont généralement proches de ceux obtenus par la majorité des participants ayant calculé les efforts du 2nd ordre. Pour le bateau

ancré, des problèmes liés au maillage des arêtes vives ont été mis en évidence dans le cas du cavalement pour w < 0,6 rd/s. Un programme de calcul des mouvements de basse fréquence

résultant des efforts du second ordre a été réalisé. Les résultats obtenus pour les mouvements sont en bon accord avec la moyenne de ceux du Workshop.

Perspectives

- Etude de la convergence de l'intégrale d'Haskind sur la surface libre.

Personne!:

G. DELHOMMEAU

1.2 Diffraction-Radiation.

DIFFRACTION-RADIATION BIDIMENSIONNELLE EN FLUIDE REEL

Présentation

Le problème étudié est celui de la diffraction-radiation en fluide visqueux sur un cylindre immergé puis perçant la surface libre.

Il sagit de réaliser un code Navier-Stokes bidimensionnel où, dans un premier temps, le

modèle de turbulence considéré sera un modèle algébrique de type Baidwin-Lomax et les systèmes résolus par la méthode itérative SIMPLER.

Travaux effectués

Maillage:

Le maillage réalisé est un maillage monobloc structuré en 0. 2 méthodes ont été testées:

- Une méthode par interpolation transfinite avec, autant que possible, resserrement du

maillage près du cylindre (fig. 1) et orthogonalisation au niveau des frontières. Des problèmes de

resserrement excessif du maillage pour de faibles immersions du cylindre (fig. l.a) nous ont

amenés à choisir une autre méthode.

- Cette méthode inspirée de celle de Thompson et al. consiste à résoudre les équations

O et _{Y = O dans le plan transformé} i ) des abscisses curvilignes.

Les deux systèmes linéaires obtenus sont résolus efficacement par des méthodes itératives de

double gradient conjugué avec préconditionnement LU incomplet.

Cette méthode solutionne les problèmes rencontrés précédemment (fig. 2.a).

Les figures 1 et 2 comportent respectivement 5900 et 7550 noeuds (50 points sur la surface libre). Les maillages sont plus fins à proximité du cylindre afin de capter les phénomènes de couche

limite.

Code Navier-Stokes:

Un premier programme de diffraction-radiation a été écrit.

Les inconnues sont les composantes cartésiennes de la vitesse et la pression, les équations de Navier-Stokes étant écrites dans un repère curviligne. Celles-ci sont ensuite discrétisées par des

schémas de différences finies. La localisation des inconnues se fait selon un maillage collocatif centré aux noeuds. L'équation de quantité de mouvement est discrétisée par un schéma de type

multi-exponentiel, l'équation de continuité par un schéma décentré en trois points.

Les deux systèmes linéaires obtenus couplés en vitesse et pression sont résolus par SIMPLER.

Deux cas ont été testés, sans cylindre dans le domaine fluide, sans surface libre et sans

modèle de turbulence:

- Un écoulement type plaque plane pour un Reynolds de 390. Les résultats sont en accord avec la solution de Blasius.

- Un écoulement avec un obstacle sur le fond. On trouve, après convergence, une

surpression sur l'avant de l'obstacle, une dépression et un tourbillon de recirculation à l'arrière, ce qui est qualitativement correct.

Perspectives

La prochaine étape consiste à rajouter la surface libre (sans cylindre) afin de vérifier la Thème 1: Écoulement à surface libre

AQ UAP LUS MALAGE DE LA CARENE . V. -z- -too AQUAPLUS

MAILACE DE LA CAREC IR RAN

r

a Pwoo )

A

V.

I

AQUAPLUS

1.2 Diffraction-Radiation.

OSCILLATIONS DES CORPS FLOTTANTS AU POINT FIXE

OU AVEC VITESSE D'AVANCE FAIBLE EN PROFONDEUR

INFINIE OU FINIE UNIFORME

Position du problème:

Depuis quelques années, les problème des oscillations des corps flottants en fluide parfait, avec conditions aux limites linéaires, a reçu des solutions numériques utilisables pour les besoins de

la pratique. Les résultats obtenus sont satisfaisants et d'autant plus proches des

_valeurs

expérimentales que l'amplitude de la houle et les mouvements sont petits

_{par rapport aux}

dimensions du corps.

Travaux réalisés

Le Laboratoire d'Hydrodynamique Navale s'est attaché à résoudre le problème de la

diffraction-radiation linéaire depuis 1975. Le cas de la profondeur infinie a été résolu en 1976 et le cas de la profondeur finie uniforme en 1981. Les programmes de calcul réalisés ont été complétés en 1980 en prenant en compte le problème des interactions entre plusieurs corps, et à partir de 1981 en calculant les efforts de dérive sur les corps (efforts de moyenne temporelle non nulle d'origine non linéaire, calculés à partir de la solution du problème linéaire) à l'aide de plusieurs formulations.

Les travaux effectués ont permis d'écrire un code de calcul (AQUADYN : P. Guével, J.C.

Daubisse, G. Delhommeau 1981) qui est actuellement largement répandu parmi les industries

françaises de l'offshore. Un club d'utilisateurs du code AQUADYN a été créé en 1983.

Une version rapide du code (AQUADYN 2.1) utilisant un fichier de fonctions élémentaires

tabulées à l'avance a été réalisée en 1988. Le gain de temps de calcul est supérieur à 50 pour un

calcul complet en profondeur finie.

Un autre code de calcul (AQUAPLUS) permettant, en plus, la prise en compte d'une vitesse d'avance par les termes de couplage mécanique en utilisant la période de rencontre, a été réalisé en 1989. Le programme a été écrit en utilisant une distribution de sources seules suivant les mêmes

principes que ceux utilisés dans le code AQUADYN 2.1. Les problèmes de radiation et de

diffraction, éventuellement avec plusieurs seconds membres dans le cas d'une vitesse nulle, sont

résolus simultanément en un seul système linéaire à plusieurs seconds membres, ce qui permet un gain de temps de calcul supérieur à 1,5 par rapport à AQUADYN 2.1. Le domaine d'application du code AQUAPLUS étant plus étendu que celui du code AQUADYN 2.1, les développements futurs sont réalisés à partir du code AQUAPLUS qui a complètement remplacé le code précédent_{pour les} applications industrielles.

Un post-processeur de calcul de réponse sur houle aléatoire (ALEA) a été développé. Il permet de calculer la réponse à des spectres classiques (ITTC, ISSC, Pierson-Moskowitcz _ou

Jonswap) dispersés ou non, ou des houles croisées avec vitesse d'avance en profondeur infinie ou

finie uniforme. On obtient les statistiques à court terme et à long terme pour les mouvements absolus et relatifs, les vitesses et les accélérations, ainsi que les probabilités de slamming. Les

résultats sont présentés sous forme de sorties graphiques couleurs à l'aide du logiciel UNIRAS ou de TECPLOT sur station de travail X-Window.

Ces codes ont été implantés sur de nombreuses machines allant du CRAY au PC ou

Macintosh en passant par les stations de travail.

Perspectives

Longueur L = 2,5 rn Largeur B = 0,25 rn, Tirant d'eau T = 0,15 m L' = 2,333 ra, B' 0,25 ro, V = 0,08438 ro3

o 0. CYLINDRE RECTANGULAIRE FRaUDE - 0.10 L, E. ce VI o C., 4000 4q10' 210' 110 0h10' CYLDRE RECTANG1jAE ELLIPSOIDE IMMERGE HOULE DE FACE AQUA + 4 AQUA+ 'b 10 s 2 4

6' " B

10 4000 410 310' C.D 210' CD 110' 0'10. N 125 CYLINDRE RECTANGULAIRE 'ROUDE - 0,10 PILO N N E IL EN T I Il I

L

0.0 0.0 00 00 IO I.O2,O 2.6 30 38 40 45 60 W RSQ R T( L'/D N 122 .14 N o N -'C CYLINDRE RECTANGULAIRE FROUDE - 0.10 00 06 1.0 I.5' 20 2.8 30 3.6 40 42 8.0 WRSQRT(L'/G) 4000 410' 3'10' C-D C- 210' 110' 01 0' AQUAREVA ELLIPSOIDE IMMERGE HOULE DE FACE AQUAREVA

---r-III'----2 4

6"8

Masses ajoutées et amortissements en cavalement et pilonnement

pour les différentes approximations

10 40 C'O 3000 2000 -* 1000 4q10' 310' C',

2i0'

1 13' AuoRTItuENT EN PILOMPIEUENT 2.0 O _j O 1,5 D LO 0.0 C O o - . Do

,_;iIÇ

;j.;

.1 o 2 3 4 6 WR'SQRT(L'/G) 3000 3000 3000 2000 2000 -. 2000

-1000 1000 10 -t 4 6 8 2.5 2.5 50 40 N 30 20 N 10 o

1.2 Diffraction-Radiation.

DIFFRACTION-RADIATION AVEC VITESSE D'AVANCE QUELCONQUE

Position du problème:

La prise en compte de la vitesse d'avance dans le calcul du comportement d'une carène sur houle est importante à la fois aux vitesses faibles pour les grandes structures soumises à un courant

et aux vitesses élevées pour les navires. La résolution numérique de ce problème permet non

seulement de prédire les mouvements d'un navire avançant dans la houle, mais aussi la résistance ajoutée correspondante pour des houles de directions quelconques, alors que les essais en bassin des carènes ne sont généralement envisageables que pour des houles de face ou de l'arrière.

Travaux réalisés

Les méthodes adoptées pour obtenir la solution du problème tridimensionnel utilisent la théorie du potentiel. Elles résolvent, dans le repère relatif, un problème aux limites linéarisé en adoptant comme condition de surface libre une expression simplifiée à des degrés divers. La

complexité des fonctions de Green que ces méthodes conduisent à utiliser est directement liée au degré d'approximation adopté pour la condition de surface libre. La solution la plus complète a été

obtenue par J. Bougis au LHN en 1980 (Code DYNAPLOUS). La fonction de Green employée par A. Grékas au LHN en 1981 (Code ARGOS) vérifie de façon approchée la condition de surface libre linéarisée, les termes quadratiques fonction de la vitesse d'avance ayant été supposés négligeables.

Les résultats obtenus par ces deux méthodes Sont voisins, en dehors d'une plage encadrant le

paramètre critique t = weC/g = 1/4 et ils sont par ailleurs très proches de ceux obtenus en utilisant

l condition de surface libre linéarisée au point fixe avec la pulsation de rencontre, si l'on écrit les

équations de la mécanique dans le repère relatif (Code AQUAPLUS).

Les trois approximations ont été comparées en fonction du paramètre t. Les résultats pour un caisson DNV sont voisins pour t < 1/4 et différent pour t > 1/4. L'approximation du code ARGOS est limitée théoriquement à t = 1/2. La comparaison aux grandes vitesses pour des carènes minces (Wigley, Série 60) a montré qu'en dehors d'une plage entourant t = 1/4, les résultats étaient voisins et proches des expériences. Le calcul exact (Bougis) présente une singularité typique à t = 1/4. Les

difficultés numériques de mise en oeuvre de cette méthode deviennent considérables aux t élevés.

La comparaison suivante a porté sur la résistance ajoutée. Par rapport aux expériences, le pic de

résistance est bien localisé, mais surévalué par les calculs. Si l'on ajoute un amortissement

permettant d'obtenir une amplitude maximum correcte des mouvements, l'accord devient

satisfaisant.

Pour éviter les problèmes numériques aux grandes vitesses, un code de calcul utilisant les singularités de Rankine a été réalisé (AQUAREVA). Plusieurs techniques permettant de prendreen

compte la condition de radiation à l'infini ont été essayées. Finalement la solution consistant à ajouter un amortissement numérique sur la condition donne des résultats satisfaisants _{et en bon}

accord avec les méthodes de singularités de Kelvin pour toutes les fréquences.

Perspectives

Les travaux futurs permettront de prendre en compte les non-linéarités de surface libre et le

couplage avec la résistance de vagues dans le code AQUAREVA.

Personnel:

G. DELHOMMEAU

P. FERRANT (Société SIREHNA)

HYDRODYNAMIQUE INSTATIONNAIRE DES FLUIDES PARFAITS A SURFACE LIBRE EN PROFONDEUR INFINIE

Partie "mémoire" de la fonction de Green dans le plan de ses deux paramètres.

L'identification se fait à paramètre géométrique q constant, c'est à dire le long des lignes du tracé.

1.3 Régime instationnaire

TECHNIQUES D'IDENTIFICATION

EN HYDRODYNAMIQUE INSTATIONNAIRE

Position du sujet:

Ce sujet entre dans le thème général: HYDRODYNAMIQUE INSTATIONNAIRE DES

FLUIDES PARFAITS A SURFACE LIBRE. Néanmoins son développement actuel et futur justifie cette présentation séparée. Il s'agit de rechercher des modèles paramétriques stationnaires simples

(ARX, ARMAX,..) pour certains opérateurs (fonctions de Green) rencontrés dans les modèles

théoriques de l'interaction solide! fluide parfait en présence d'une surface libre.

Ces modèles simples représentent des formes continues ou discrètes d'équations différentielles

ordinaires à coefficients constants approximant l'effet sur l'écoulement à surface libre d'une

perturbation donnée à un instant donné. Une fois réalisée, cette approximation (généralement dénommée identification en théorie des systèmes) permet de substituer dans les simulations

numériques de simples intégrations d'ODE à des calculs lourds et bien plus coûteux d'intégrales de convolution.

Travaux réalisés 1990-93:

La faisabilité de la méthode pour les applications en théorie linéarisée à été montrée en 1990

par l'identification de la fonction de Green de l'hydrodynamique instationnaire en profondeur

infinie. Depuis, la technique d'identification à été améliorée par l'adoption de la méthode de Prony qui reste à systématiser de manière à pouvoir balayer tout le plan des paramètres (cf fig.).

Publications depuis Janvier 1990: 1 en B,1 en C, 1 en E.

Perspectives:

¡héorie linéaire:

en 1993/94, un contrat DRET permettra la mise en oeuvre de la technique pour le calcul des

efforts impulsionnels sur les structures flottantes en profondeur illimitée. Parallèlement, on

examinera les possibilités d'identification de la fonction de Green en profondeur limitée uniforme (S. Mas; thèse MRT).

¡Marie non-linéaire:

ces techniques d'identification ont récemment été étendues à la modélisation des

phénomènes non-linéaires. En hydrodynamique instationnaire, cela pourrait s'appliquer à la

simulation des efforts à basse fréquence ressentis par les corps solides dans un champ de vagues

composite. La faisabilité d'une telle approche pourra être étudiée sur le problème type de la

modélisation par un modèle discret de type NARX des efforts instationnaires du premier et du

second ordre sur un batteur plan en bidimensionnel. En cas de succès, un travail sur trois ans sera lancé dans le cadre d'une thèse, et d'autres financements seront demandés.

PASSAGE D'UNE ONDE SOLITAIRE SUR UN CYLINDRE IMMERGE FIXE

--

-.%-/

N:

Vitesse des particules fluides sur la surface libre

avant déferlement de l'onde rétrograde ("Backward breaking")

Trajectoire du vecteur force hydrodynamique pendant l'interaction.

1.3 Régime instationnaire

HYDRODYNAMIQUE INSTATIONNAIRE

DES FLUIDES PARFAITS A SURFACE LIBRE

Position du sujet:

L'objectif général est le développement d'outils pour la simulation numérique de

l'interaction: ondes de gravité -'- structure fIxe ou flottante en régime non nécessairement établi. La toute premiere étude en instationnaire au LHN date de 1980. C'est aussi à cette époque que S. Ohmatsu, spécialiste japonais de la question, est venu en année sabbatique au laboratoire. Le thème a ensuite été développé au DHN par deux chercheurs et des étudiants de troisième cycle.

Travaux réalisés 1990-93:

2D - non-linéaire.

Le logiciel CANAL qui simule la génération et l'évolution dans le temps d'ondes de gravité en théorie non-linéaire a été développé en 198 8-90 sur financement DRET. Il a été exploité ensuite pour l'étude numérique de la diffraction non-linéaire des ondes solitaires sur des obstacles fixes, perçant ou non la surface libre.

Publications depuis Janvier 1990: 2 en C, i en D, 2 en E. 3D linéaire,

Un travail de thèse a démarré en 1992 sur les différentes formulations de la fonction de

Green du problème instationnaire en profondeur finie uniforme. L'objectif est le développement de

codes de calcul du type KRIL3D-profondeur finie en utilisant si possible des méthodes

d'accélération par identification de ces opérateurs. (cf fiche: IDENTIFICATION EN

HYDRODYNAMIQUE INSTATIONNAIRE)

3D non-linéaire,

Ce sujet est désormais développé par P.Ferrant (SIREHNA) sous financement DRET.

Perspectives:

2D - non-linéaire.

Un certain nombre d'options du code CANAL restent à terminer: mouvements libres de

flotteurs, absorption des ondes sortantes, flotteurs à bouchains vifs, etc.. .11 n'est pas prévu de le faire systématiquement car cela demanderait un investissement en temps qui risquerait de ne jamais être

rentabilisé. Par contre ces options pourront être développées à la demande pour toute étude

numérique d'un cas particulier bien précis, dans le cadre de recherches de 3ème cycle . On pourra alors faire une utilisation intensive du code en parallèle avec des expériences pour toute étude

phénoménologique fine de problèmes bidimensionnels à surface libre tels que: déferlement,

impacts, run-up de vagues sur plans inclinés, intersection solide/surface libre en mouvement

accéléré,...

Un canal à houle de 4OxlxO,5m en cours de finitions au DHN pourra être utilisé pour les validations expérimentales.

3D linéaire.

Si des formulations à deux paramètres et temps séparé peuvent être dégagées, les méthodes

r.

ABSORPTION PARTIELLE D'UN PAQUET D'ONDES EN REGIME [NSTATIONNAIRE DANS UN CANAL 2D.

Evolution de la surface libre dans le temps.

Surface de gauche: générateur piston Surface de droite: absorbeur piston

1.3 Régime instationnaire

ABSORPTION DYNAMIQUE DES ONIES DE GRAVITE

Position du sujet:

Historiquement, ce thème s'est d'abord développé au LHN autour du problème de la

récupération de l'énergie des vagues. Il a été réorienté vers l'absorption dynamique des ondes de gravité depuis 1985. Le but poursuivi est la définition de lois de mouvement instationnaires (i.e dépendant explicitement du temps) permettant à une surface matérielle d'absorber des vagues incidentes par génération et combinaison d'ondes opposée aux vagues réfléchies. Des méthodes

analogues ont été développées dans d'autres domaines et notamment en acoustique. Les applications

visées sont à la fois pratiques (équipement des bassins de houle) et numériques (conditions aux

limites absorbantes).

Travaux réalisés 1990.93:

Le problème bidimensionnel a été abordé par C. Maisondieu dans son travail de thèse d'Université (1993). Le cadre théorique est celui des écoulements à potentiel de fluides parfaits à surface libre. On modélise un canal à houle dont une extrémité est un piston générateur de vagues, et l'autre un piston absorbeur de vagues. On cherche à déduire d'une mesure physique dans le bassin (ici, l'effort hydrodynamique sur la paroi) la loi de mouvement du piston qui permettra l'absorption la plus complète possible du train d'onde incident. Une loi d'absorption très efficace à été

développée dans l'hypothèse supplémentaire d'une connaissance a priori de lafréquence dominante des vagues incidentes (voir figure). Par contre, le problème n'est pas définitivement réglé quand le phénomène est purement transitoire. En tridimensionnel (instationnaire et fréquentiel), rien de fait, au DHN pour le moment.

Publications depuis Janvier1990: 2 en C, I en E

Perspectives:

- court terme:

* Terminer le 2D purement instationnaire; plusieurs pistes restent à explorer:

bouclage par poursuite de modèle, optimisation du placement des pôles dans la méthode feedback-feedforward proposée par Maisondieu, équations d'énergie,..

* Implantation des relations d'absorption établies en théorie linéaire dans le code de simulation d'ondes de gravité 2D instationnaires CANAL pour évaluation des performancesen

non-linéaire. Couplage et comparaison avec les méthodes de nappe absorbante en exploitant le fait que

les bandes passantes de ces deux méthodes se complètent très bien.

- moyen terme:

* absorption dynamique

en 3D (absorbeur "serpent"), en fréquentiel puis en

instationnaire.

* redémarrage du thème: énergie des vagues.. Utilisation de l'énergie des vagues.

Systèmes de protection du littoral. Modélisation numérique et expérimentale. Un sujet de thèse sur

la focalisation spatiale de la houle. (diffraction-réfraction des ondes de gravité par des "lentilles" à houle - analogie optique - scattering inverse) est prévu pour la rentrée 1994.

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A

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1.4 Ecoulements internes

SIMULATION NUMERIQUE DES MOUVEMENTS BIDIMENSIONNELS

DE FLUIDE VISQUEUX DANS LES RESERVOIRS.

ETUDE DU SLOSHING

La simulation numérique de 1'cou1ement de fluides visqueux a été ra1isée à laide d'un schema instationnaire de résolution des équations de Navier-Stokes appelé TUMMAC (Tokyo

University Modified Marker And Cell). Cette méthode a été mise au point à l'Université de Tokyo par l'équipe du Professeur Miyata. Fondée sur la méthode MAC, cette version en reprend le schéma

de différence finie qui permet de satisfaire les conditions de continuité au sein du fluide et la

développe pour traiter les problèmes à surface libre. De nombreux aménagements ont été apportés à la version initiale afin de permettre l'étude d'impacts du fluide sur des parois solides.

L'étude a porté sur les écoulements bidimensionnels dans des réservoirs de forme

quelconque. La solution est obtenue par une mise en mouvement progressive de la cuvequi oscille

autour d'une position de repos aussi bien en cavalement qu'en roulis ou suivant un mouvement

quelconque. Les mouvements peuvent être périodiques ou aléatoires. A chaque pas de temps, il est possible de construire une cartographie complète des vitesses et des pressions au sein du fluide ainsi

que la déformée de surface libre.

La méthode est basée sur une technique de résolution des équations de la mécanique des

fluides utilisant un schéma de différence finie dont la cellule élémentaire de dimension DX,DZ est le support de cinq paramètres du problème: les composantes de la vitesse sur les faces de la cellule (4) et la pression au centre.

La variation en temps est faite d'une quantité DT en avant et les variations d'espace peuvent

être ajustées par l'intermédiaire d'un coefficient a : la différence centrée est obtenue en prenant ct = O alors que pour a = i , le schéma est décentré amont; toute valeur intermédiaire donne un

compromis entre les deux.

Des termes convectifs sont évalués à partir des vitesses obtenues à l'instant précédent. Les vitesses à chaque pas de temps sont calculées par les équations:

U(I,K)= UC(i,K)-DTJPHJ(I,K)-PHI(I-1 ,K)]IDX W(I,K) = WC(I,K)-DT/PHI(I,K)-PHI(I,K- I )]/DZ

Quant au champ de pression, divisé par la masse volumique de l'eau, noté PHI, il est

déterminé par une méthode itérative à facteur de relaxation Q en complément de l'équation de

Poisson dont la formulation diffère suivant que le point de calcul se trouve au sein du fluide ou dans une cellule frontière de la cuve. La méthode dite de "l'étoile" est utilisée pour déterminer la pression

à l'itération m+1 dans une cellule de fluide entourée de cellules dont on connaît la pression à l'itération m alors que dans une cellule frontière de la cuve, c'est la condition de continuité qui

annule la divergence de la vitesse qui est employée.

Pour les cellules de surface libre, l'équation de continuité est résolue par la méthode de "l'étoile" mais avec des branches de longueur quelconque. Le calcul de la pression est terminé lorsque l'écart entre les valeurs de PHI de deux itérations successives n'excède pas une certaine

quantité, PERROR, dans tout le fluide.

La simulation sera complète si l'on impose des conditions initiales et des conditions aux

limites. La situation initiale du fluide est simple, la pression est hydrostatique et les vitesses sont nulles. Les conditions aux limites sur les frontières du domaine fluide sont satisfaites en imposant par interpolation des valeurs de vitesses déduites de celles régulièrement calculées dans le fluide.

L'interpolation prend diverses formes suivant que la frontière est solide ou libre et dépend du but recherché (glissement ou adhérence).

De nombreux cas ont été traités afin d'évaluer les performances de la simulation numérique. La comparaison avec des codes commerciaux a permis de vérifier les résultats. On observe que la représentation générale de l'écoulement est satisfaisante bien que la viscosité semble supérieure à la

AQUACUVE

CARENE+SURFACE LIBRE 2.0 E-. z C-)

z

-.. 1.0 Cri O)

z

. 0.5 E-. 0.0

5 FLOTTEURS EN LIGNE,D AXES = 15 M

EAU FIGER R33 = 10**7 N/M PERIODE = 4 SECONDES + 300w ...200j H-M -e- too w -e- o w t J I 25 2.0 LS Ci

z

1.0 -. O) Cri

z

0.5 . E-. 0.0 50 2.0 0.0 -4- 300 M 200w H-&ßM -e- too w -e- o w t i--.J----1 ¡ 1

5 FLOTTEURS EN LIGNE,D AXES = 15 M R33 = 1O7 N/M PERIODE = 4 SECONDES 2.0 1.5 C.)

z

1.0 -.. C/) CI)

z

0.5 E-. 0.0 50 OEL 200.0 200.0 2= 200.0 OEL 2= 100.0 100.0 75.0 O Y (M)

50

25

50

25 o 25 Y (M)

1.4 Ecoulements internes

OSCILLATIONS DES LIQUIDES DANS LES RESERVOIRS

ET COUPLAGE AVEC LE PROBLEME EXTERIEUR

Position du problème:

Le problème des oscillations des liquides se rencontre dans la plupart des transports routiers,

maritimes ou aériens lorsqu'on utilise des réservoirs peu ou pas cloisonnés. Le couplage avec le

problème extérieur sur houle peut conduire à une stabilisation du mouvement (citernes antiroulis) ou à une amplification aux conséquences parfois dramatiques (phénomène de carènes liquides).

Travaux réalisés

Les premiers travaux ont été réalisés au Laboratoire d'Hydrodynamique Navale dans le

cadre de la thèse de G. LE ROUZIC (1983 ). Les problèmes bidimensionnel non-linéaire et

tridimensionnel linéaire étaient résolus par la méthode des singularités de Rankine à l'aide d'une

distribution mixte de Green.

Le problème tridimensionnel a récemment été repris (1991) pour être couplé avec les codes

AQUADYN 2.1 et AQUAPLUS. A cette occasion, plusieurs types de programmes résolvant le problème intérieur ont été comparés à des solutions analytiques. Les méthodes testées sont la

méthode des singularités de Kelvin avec des distributions de sources seules et avec la distribution

mixte de Green et la méthode des singularités de Rankine avec les mêmes distributions. Pour la méthode des singularités de Kelvin, la fonction de Green du problème intérieur est obtenue très simplement à partir de celle du problème extérieur en ne conservant que la partie réelle et en

changeant le signe de la discontinuité. La méthode des sources de Rankine est la plus éloignée des résultats analytiques. Une amélioration considérable a été obtenue en utilisant une formulation de type Galerkine qui assure théoriquement l'unicité de la solution quel que soit le type de distribution choisie.

La méthode la plus efficace pour effectuer un balayage en fréquence reste la méthode des

singularités de Rankine avec la distribution mixte de Green. Un programme permettant la

détermination directe des 10 périodes de résonances les plus élevées pour chaque mouvement a été réalisé.

Un programme de couplage avec le code AQUADYN 2.1 permet de calculer la réponse sur

houle d'un navire comportant une ou plusieurs citernes, avec éventuellement des amortissements

internes.

Ce programme a été appliqué à l'étude de plusieurs variantes d'un dispositif atténuateur de houle dynamique comportant des carènes liquides internes.

Perspectives:

Adaptation du programme de couplage au code AQUAPLUS.

Thème 1: Écoulement à surface libre

Figure 1 - Montage de remorquage avec mise en gîte 'naturelle'

o

FX (N)

Figure 3 - Influence de la stimulation de la turbulence sur les efforts

Figure 2 - Montage de remorquage avec balance 6 composantes et orienteur

c o Résultats maQuette FY)N) 75 50 100

i;

sans sable sable Vitesse= 1,72 mIs Gîte= 200 Angle trimmer= 8° Dérive= Q0(__) et 1°() bande de sable. sur la carène.

sur carène et appendices.

f-01 O

25

1.5 Mécanique du comportement

ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES VOILIERS Position du problème

Le 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 (voir fiche REVA); et cela d'autant plus que l'utilisation des voiliers en compétition impose des exigences de précision 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 des voiliers. Ce travail trouve un prolongement général dans la fourniture de résultats pour l'étude des carènes plates, des appendices portants et des carènes quelconques en gîte et dérive.

Les essais de voiliers se caractérisent par le nombre élevé de paramètres à faire varier:

attitude, vitesse et réglage des appendices mobiles. La préoccupation principale, (d'ordre

méthodologique), est de limiter les domaines de variations des paramètres de fonctionnement à des combinaisons réalistes pour réduire le plus possible la durée des essais.

Travaux effectués

Un premier montage (fig. 1) a été réalisé permettant à la maquette de prendre d'elle même gîte, assiette et enfoncement à partir dune dérive imposée, sous le simple effet de la portance. Ce

montage permet d'obtenir des combinaisons "naturelles" de paramètres de fonctionnement à

condition que la maquette soit tractée au centre de poussée vélique 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 stables à grandes vitesses.

Une autre méthode a été alors 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 1' Architecture et l'Industrie Nautique). Dans ces conditions, la

maquette peut être maintenue dans une attitude fixée par un orienteur. Le torseur des efforts est

mesuré par une balance à 6 composantes fixée dans l'axe du chariot de remorquage (fig. 2).

La dérive et la gîte de la maquette sont imposées, l'assiette et l'enfoncement peuvent être libres ou bridés. La différence de hauteur du point de traction par rapport au centre de poussée

vélique est prise en compte par la création d'un moment par déplacement longitudinal de masse. Cette balance et les procédures associées ont été conçues au L.M.F. (voir fiche spécifique).

Premières conclusions et travaux en cours

La stimulation de la turbulence sur la maquette est obtenue de façon classique par des bandes de sable placées sur la carène et les appendices. Elle assure une meilleure stabilité de la

traînée mais diminue les effets portants surtout sur les appendices mobiles (fig. 3). Dans certain _cas,

des fluctuations lentes de la portance ont été constatées. Il apparaît donc comme une priorité

d'approfondir la connaissance de l'influence de la stimulation de la turbulence sur les appendices pour bien maîtriser les effets d'échelle et améliorer l'extrapolation au réel. Un programme d'essais

des appendices en soufflerie a été défini, avec mesures des efforts, des pressions, et des vitesses (par vélociméu-ie LASER), en modifiant les conditions de stimulation de la turbulence et en

conservant le même nombre de Reynolds qu'en bassin de carènes.

Pour isoler la résistance de vagues et la comparer à celle obtenue par les

modèles numériques, la préoccupation majeure est la détermination expérimentale du coefficient de forme dont la valeur est très sensible à la surface mouillée prise en compte (statique ou dynamique). Une

LES ESSAIS DE REMORQUAGE

Prcr eu de

Fa

LES ESSAIS D'HELICE

codeur eau 0.7 P/D=0.8 0.6 0.5 0.4 O.3 10K 0.2 -: -s 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 J Modèles d'hélices B4-55 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 o

LES ESSAIS D'AUTOPROPULSION METHODE ANGLAISE 1.1 0.32 nJ5ö e.n5r,J. I'.r_{01.1 _} b s I

Sillage, succion et rendement d'adaptation de la maquette du bateau en route libre

CHALUTIER ALU. 84-55 P/I) = 0.8

....

0.36 0:4 ¿-4

Fn

0.480.6

Sillage, succion et rendement d'adaptation

du bateau en traction de chalut

40.

30-Cic 24

15 -1 -15 -30 40

10-

-.-0 o 0.1 0.2 03 03

HEL ICE TEST B 4-55 P/D=0.8

1.2 1.2 -.- rend, adapt 1.15 _{-.*- (i-w)} 1.15 1.1 -..- (1-t) 1.1 L05 _1,05

-i

0.95 _0.95 0.9

-J 0.9

0.85 ₀₈₅ A- * 25 30 35 40 45 50 Traînée du chalut (1(N)

i

E e .8 0.9 0.8 0.7 0.6 1.1 0.9 0.8

1.5 Mécanique du comportement

ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES NAVIRES EN CONDITIONS D'AUTOPROPULSION

Position du problème

L'objectif général est non seulement la validation des codes de calcul de comportement, mais aussi l'étude de l'influence des mouvements du navire et de la houle sur la propulsion.

Les procédures d'essais en bassin du comportement dynamique des navires trouvent

rapidement leurs limites si on ne les réalise pas dans des conditions proches des conditions réelles

de navigation. En particulier le comportement sur houle avec vitesse d'avance est affecté par les

systèmes de remorquage qui brident le cavalement et perturbe les autres mouvements, Les systèmes de remorquage à force constante sont compliqués et n'apportent pas une solution très satisfaisante. Lorsque le navire tracte un engin, les techniques susnommées Sont encore davantage déficientes.

La tendance est aux maquettes autopropulsées entièrement libres avec un enregistrement à bord des mesures ou une transmission par télémesure. Le LMF s'oriente dans cette voie.

Travaux réalisés

La première étape a été d'acquérir la maîtrise des essais dautopropulsion classiques et de

qualifier le matériel, les méthodes et les procédures. Ce travail a fait l'objet d'une thèse soutenue en

mai 93 par Nacéra BENSLAFA. Elle a mis en oeuvre successivement les trois types d'essais qui

constituent la procédure d'autopropulsion: les essais de remorquage, les essais de l'hélice seule en

écoulement incident uniforme, et enfin, les essais du modèle propulsé par une hélice. La

comparaison des résultats de ces trois essais permet de déterminer les coefficients des interactions hélice-carène. Les méthodes d'extrapolation permettent d'obtenir les interaction à l'échelle du réel.

Les contraintes imposées par les dimensions réduites du bassin, la génération de la houle et les effets d'échelle sur la carène et l'hélice font que l'étude s'est orientée vers les essais de bateaux de

petite taille (remorqueurs et chalutiers) qui ont la particularité d'être équipés d'hélice dont le

diamètre est grand par rapport aux dimensions de la carène.

A titre d'exemple, ont été étudiées deux maquettes de chalutiers de pêche artisanale. Ces bateaux constituent les cas extrêmes les plus intéressants et les plus délicats du point de vue

hydrodynamique. La forme ventrue de leur carène peut provoquer des phénomènes qui induisent des difficultés particulières pour l'extrapolation au réel.

Le travail de Nacéra BENSLAFA a permis de bien cerner les limites des méthodes

employées de manière à éviter les erreurs et à fournir des prévisions de bonne qualité avec les

contraintes liées aux conditions expérimentales. Il a montré qu'il était possible de réaliser, avec les installations du LMF, des essais d'autopropulsion de précision suffisante pour une exploitation en

recherche. Pour les essais d'hélice, le dispositif expérimental est opérationnel et performant. La

méthodologie expérimentale développée a permis de régler la plupart des problèmes.

En ce qui concerne les essais d'autopropulsion, on peut considérer que la méthode anglaise

est opérationnelle. Le principe utilisé pour la mise en oeuvre de la méthode continentale (bateau libre en cavalement) n'a pas donné les résultats souhaités mais des voies ont été trouvées pour

progresser.

Travaux en cours

-amélioration des asservissements de propulsion et de cap pour la mise en oeuvre de la méthode continentale afin de réaliser des essais sur houle en route libre et en traction d'engin.

-poursuite de la mise au point du système de radiocommande de la propulsion et de la direction de la maquette entièrement libre. Télémesure.

-installation d'une centrale inertielle embarquée pour la mesure des mouvements.

-détermination des interactions hélice-carène lorsque le navire tracte un engin en eau

calme (par exemple un chalut ou un autre bateau).

24- 20- 4- 24- 20-o -L -

12-E:

4-Aq+

Reporises en roulis du NOP par

Aquqpluz Mesures & Hirnerto

Vjt.sse davace U=L56 ID/S.

2 3 4 5 6 7 5 9 10 11 12 13

periode T(s.)

Reponses en roulis du NOP par trois methodes Aquadyn.Meures

& Himeno. (viL=0.)

FI ¡ 0 2 3 4 5 6 7 6 9 10 11 12 13 T(s.)

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