Etude comparative de formes de carènes de caravelles Calculs hydrodynamiques Etudiants : Véronique Soulé – Dimitri Boulon Tuteur projet : Pierre-Emmanuel Guillerm
Cette étude a été réalisée à la demande de l’Ascaravelle suite à la campagne de mesures de formes d’une quarantaine de caravelles. L’objectif est de quantifier les différences de comportement du point de vue hydrodynamique. Le laboratoire d’hydrodynamique, d’énergétique (LHEEA) de l’Ecole Centrale de Nantes a mis à notre disposition tous les outils numériques nécessaires à l’étude. Nous avons de plus bénéficié du suivi impliqué de trois enseignants de l’Ecole, Pierre Emmanuel Guillerm, notre tuteur, Lionel Gentaz et Gilbert Le Rouzic.
I.
CAO à partir du plan Herbulot
A partir de relevés de cotes sur le plan Herbulot, nous avons reproduit le dessin en 3 dimensions sous le logiciel Maxsurf. Ce plan a été mis à la disposition de l’Ascaravelle sous format IGES.
Figure 1 : Reproduction 3D du plan Herbulot
La dérive est le seul appendice modélisé, elle permet de calculer l’effort antidérive car c’est un profil portant. La caravelle étant bloquée en lacet (cap), nous avons choisi de ne pas inclure le safran dans le modèle.
II.
Formes comparées
Grâce au travail de Yves Inizan et de René Broudic, nous disposions de mesures de formes de 41 caravelles, avec notamment les dimensions du creux le long de la quille. D’après ces mesures, les écarts de forme ne dépassent pas 25%. Nous avons donc comparé 3 carènes : la forme originale prévue par le plan Herbulot, et 2 autres plus plates avec des creux réduits uniformément sur la longueur de 10% et 20%.
Figure 2 : Superposition de la carène initiale et d'une forme plus plate (-20% de creux)
III.
Hypothèses
Les caravelles ont été comparées pour deux allures, le près et le vent arrière. La vitesse est fixée à 3,5 nœuds pour les deux cas de navigation. Nous considérons la mer plate, seules les vagues générées par la coque sont prises en compte.
Enfoncement Surface mouillée
Gîte
Sillage de la dérive
+
Angle de dérive Vitesse du fluide
Assiette Figure 3 : Définition des paramètres du calcul
Les mouvements des bateaux sont libres en enfoncement. La gîte et l’angle de dérive sont imposés : au près, ils correspondent à un équilibre qu’il faut trouver pour chaque carène pour un effort aérodynamique Fya fixé de 400 N ; au vent arrière, l’angle de dérive est considéré comme nul et une contre gîte de 15° est imposée. Nous avons de plus fixé le poids total (équipage+caravelle) à un équivalent de 420 kg. Le centre de gravité est placé à 2,21 m du tableau arrière.
IV.
Résultats
Les calculs de surface mouillée et de position latérale de centre de carène ont été effectués avec le code REVA, qui permet de simuler des écoulements irrationnels dans le cadre de l’hypothèse de fluide parfaits. Les calculs d’efforts hydrodynamiques ont été effectués sous le logiciel ICARE, un code de calcul qui permet de simuler un écoulement de fluide réel autour de la carène en résolvant les équations de Navier Stokes en moyenne de Reynolds.
Allure type Près
Réduction du creux/ Herbulot
0%
10%
20%
Gîte (deg) Assiette (deg) Dérive (deg) Surface mouillée (m²)
15 0 10 4.72
15 0 10 4.85
15 0 10 5
0%
2.8%
5.9%
29 22.9
31
33
23.19
23.2
Ecart relatif (%)
Décalage latéral du centre de carène (mm) Traînée due au frottement (N) Ecart relatif (%)
Traînée due à la pression (N) Ecart relatif (%)
Traînée totale (N) Ecart relatif (%)
Efforts latéraux (N)
0%
1.4%
5.3%
51.1
51.79
52.9
1.4%
3.5%
430.1
433.1
0%
0.1%
0.8%
-15 0 0 4.72 22.9
-15 0 0 4.85
-15 0 0 5
23.05
23.11
0%
0.7%
0.9%
23.45
22.8
20.76
0%
-2.8%
-11.5%
46.35
45.85
43.87
0%
-1.1%
-5.4%
Ecart relatif (%)
Ecart relatif (%)
Traînée totale (N)
1.3%
29.7
0%
Gîte (deg) Assiette (deg) Dérive (deg) Surface mouillée (m²) Traînée due au frottement (N) Traînée due à la pression (N)
1.3%
28.6
429.8 Ecart relatif (%)
Allure type Vent arrière
0%
28.2
Ecart relatif (%)
Tableau 1 : Résultats
Commentaires :
A gîte, assiette et déplacement égaux, la surface mouillée est plus importante pour les caravelles les plus plates, ce qui implique une résistance de frottement légèrement plus élevée (cf. tableau 1).
Figure 4 : Comparaison des surfaces mouillées pour +/-15 degrés d’angle de gîte
A gîte, assiette et déplacement égaux, les carènes plus plates ont un centre de carène plus décalé de l’axe longitudinal (plus décalé sous le vent). Cela implique une plus grande raideur à la toile. Le point d’équilibre du bateau (gîte et dérive) a été mis à jour en prenant compte cette plus grande raideur. Le gain sur la traînée totale et sur le gain au vent est mineure (gain inférieur à 0.3° de dérive)
Les efforts de traînée se décomposent en deux termes : un terme du au frottement du fluide sur la coque, l’autre terme résulte des efforts de pression exercés par l’eau sur la coque, aussi appelé résistance de vagues. Ce dernier terme est plus élevé pour les caravelles plates au près mais au vent arrière, la tendance s’inverse (cf. tableau 1).
Ces deux efforts s’ajoutent pour obtenir la traînée totale (figure5). On note que la forme plate est pénalisée au près et avantagée au portant.
Figure 5 : Comparaison des efforts de traînée totale au près et au vent arrière
Les efforts latéraux sont les efforts liés à la force antidérive de la coque. Ils sont plus importants pour les caravelles plus plates.
Efforts latéraux au près Ecarts d'effort latéral / Herbulot
1.00% 0.80% 0.60% 0.40% 0.20% 0.00% 0%
5%
10%
15%
20%
25%
Réduction du creux / Herbulot
Figure 6 : Comparaison des efforts hydrodynamiques latéraux au près (coque seule)
Figure 7 : Carène initiale (Herbulot)
Figure 8 : Carène avec creux réduit de 20%
Figure 10 : Carène avec creux réduit de 20% Figure 9 : Carène initiale (Herbulot)
Figure 11 : Carène initiale (Herbulot)
V.
Figure 12 : Carène avec creux réduit de 20%
Conclusion
Des calculs sur des formes de caravelle avec différents creux ont été réalisés. Les calculs ont été effectués à l’aide du code REVA et du logiciel ICARE développés par le LHEEA de l’Ecole Centrale de Nantes. Les résultats montrent que la diminution du creux de la carène à une influence négative sur la traînée au près et une influence positive sur la traînée au vent arrière. La plus grande raideur à la toile des formes plates ne permet pas d’améliorer de manière significative le gain au vent au près. Ces calculs permettent de dégager des tendances. Une étude expérimentale en bassin de carène permettrait de confirmer ces résultats.