CFD - Coques et appendices

Depuis 1992, le CRAIN est un pionnier de l'application de la CFD (Computational Fluid Dynamic) appliquée à l'étude hydrodynamiques des voiliers. Cette activité s'appuie sur une collaboration permanente avec le LHN de l'ECN au cours de laquelle le CRAIN a évalué successivement les codes REVA, AQUAPLUS et ICARE développés par l'ECN.

Cette collaboration associée à des résultats d'essai en bassin ou en soufflerie, ont permis :

• De faire évoluer les codes vers une meilleure prise en compte des spécificités du voilier.
• De bien apprécier le domaine d'application et la précision des méthodes.
• De mettre au point des procédés de maillage de calcul et d'analyse qui rendent ce moyen d'étude accessible à tous les projets .

Parallèlement à la pratique des codes de l'ECN, le CRAIN utilise des codes aérodynamique permettant l'étude bidimensionnelle des profils et l'étude tridimensionnelle de la couche limite autour d'une carène ou d'un bulbe.

Dans le cas où les codes RANS généralistes sont plus adaptés, le CRAIN est à même de donner les spécifications adéquates à ses partenaires en charge du calcul.

Conscient des limites de la CFD ainsi que des contrainte budgétaires et de délai des projets nautiques, le CRAIN met l'accent sur :

• L'évaluation expérimentale préalable des méthodes proposées
• L'optimisation le coût des moyens de calcul et le temps consommé.

REVA : la résistance à l'avancement des carènes et le rendement des appendices en écoulement potentiel.

Le code REVA résoud l'écoulement potentiel avec surface libre autour de la carène équipée d'appendices. Développé par Gerard Delhommeau de l'ECN (Ecole Centrale de Nantes) , REVA calcule la résistance à l'avancement en prenant en compte la déformée de la surface libre (résistance de vaque) et le tirant d'eau effectif (résistance induite) des appendices. Le calcul est de type surfacique ce qui limite le temps de maillage et le temps CPU de résolution.

Les restrictions principales de REVA sont :

• pas de calcul de la résistance visqueuse et des effets visqueux en général
• une condition linéaire de surface libre qui empêche une prise en compte complète de l'influence des élancements sur la résistance de vague.
• fonctionnement en eau calme.

En raison de ces restrictions le code REVA ne prend pas en compte certains effets :

• Décollements et tourbillons dans le sillage visqueux .
• Résistance visqueuse d'appendices et des liaisons appendices – carène
• Laminarité de l'écoulement sur les profils
• Résistance ajoutée par la houle

Notre expérience de son utilisation nous permettent de conseiller son utilisation pour l'étude de problèmes tels que :

• effet de la gite, de la largeur, de la longueur, du coefficient prismatique et de la position du centre de carène sur la résistance de vague.
• surface, forme en plan et position de la quille
• efficacité de foils sustentateurs, d'ailettes, de volets…
• largeur, longueur, épaisseur volume du bulbe
• assiette et enfoncement dynamique avec prise en compte du champ de pression dynamique.

La possibilité d'explorer le champ de vague et de pression, de détailler les efforts éléments par éléments permet d'analyser et de faire évoluer les formes selon une démarche maîtrisée.

ICARE : la turbulence, la surface libre, l'instationnaire

Ce logiciel développé par l'ECN fait partie des rares logiciels combinant une méthode RANS avec une condition de surface libre.

Utilisé par le CRAIN depuis 2000, ICARE nous a déjà permis de combler deux lacunes importantes de REVA :

• prise en compte des élancements de la carène
• prise en compte du sillage de la carène

Ces possibilités furent utilisées intensivement pour optimiser avec succès constaté en bassin, le fonctionnement à la gîte des formes arrières et de la pente de voûte des IACC du Defi français 2003.

Le CRAIN a optimisé les paramètres de maillage et de calcul pour la carène seule, ce qui lui permet de réaliser des études utilisant ce code avec des moyens de calcul et des temps de mise en œoeuvre raisonnables.

Les applications du code ICARE sont très étendues puisqu'il permet de calculer l'écoulement visqueux autour de la carène et de ses appendices et ceci avec une vitesse, un cap ou une gite variable.

Le CRAIN développe actuellement l'application d'ICARE :

• à l'étude de la carène équipée de ses appendices.
• à des problèmes instationnaires tels que la résistance à l'avancement et la portance pendant un virement de bord ou la résistance ajoutée en phase de relance.

XFOIL et 3C3D : Le calcul de la couche limite des profils et des formes

Le CRAIN conçoit depuis 1993 des profils d'appendices et des formes de bulbe selon une méthode numérique s'appuyant sur des validations expérimentales

• utilisation des codes de référence XFOIL de Mark Drela (MIT) pour les profils et 3C3D du CERT-ONERA pour les bulbes. Ces codes utilisent tous les deux un méthode intégrale de calcul de couche limite prenant en compte la turbulence ambiante du fluide pour le calcul de la transition laminaire-turbulent.
• Mesure en navigation du taux de turbulence ambiante dans la région de la quille avec un corps de référence instrumenté
• Visualisation de l'étendue de la laminarité en navigation sur une quille et sur un bulbe en utilisant un revêtement LCD polarisant.
• Contrôle en soufflerie de la laminarité par sublimation de naphtalène.

Ces précautions nous permettent de faire les hypothèses correctes sur la turbulence ambiante, sans lesquelles l'optimisation des profils conduirait à l'échec.

Nous concevons ainsi avec succès :

• profils de quille à trimtab
• profils de safran
• profils de foil sustentateurs
• profils d'ailettes

Pour des voiliers monocoques IACC, multicoques ORMA, monocoques IMS, dériveurs..

RANS industrielle : le calcul visqueux des appendices

L'utilisation de solveur RANS et de mailleur industriel permet de traiter les problèmes dans lesquels n'interviennent ni la surface libre, ni la laminarité, ni l'interaction aux jonctions. C'est ainsi que le CRAIN confie à la société Mcube le soin de mailler avec ICEM et de calculer avec RADIOSS des configurations d'appendices. Les hypothèses de maillage permettant obtenir les portances et les traînées réalistes furent obtenues en s'appuyant sur des mesures en soufflerie.