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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 :
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De faire évoluer les codes vers une meilleure prise en compte des
spécificités du voilier.
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De bien apprécier le domaine d'application et la précision des
méthodes.
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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 :
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L'évaluation expérimentale préalable des méthodes
proposées
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L'optimisation le coût des moyens de calcul et le temps consommé.
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REVA : la résistance à l'avancement des carènes et lerendement 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.
Article à consulter[Français - PDF 181 ko]
Les restrictions principales de REVA sont :
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pas de calcul de la résistance visqueuse et des effets visqueux en
général
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une condition linéaire de surface libre qui empêche une prise en compte
complète de l'influence des élancements sur la résistance
de vague.
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fonctionnement en eau calme.
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En raison de ces restrictions le code REVA ne prend pas en compte certains
effets :
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Décollements et tourbillons dans le sillage visqueux .
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Résistance visqueuse d'appendices et des liaisons appendices
carène
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Laminarité de l'écoulement sur les profils
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Résistance ajoutée par la houle
Notre expérience de son utilisation nous permettent de conseiller son
utilisation pour l'étude de problèmes tels que :
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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
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efficacité de foils sustentateurs, d'ailettes, de volets
-
largeur, longueur, épaisseur volume du bulbe
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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.
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ICARE : la turbulence, la surface libre, l'instationnaire
Ce logiciel développé par Bertrand Allessandrini de 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 :
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prise en compte des élancements de la carène
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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 uvre
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 :
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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.
Article à consulter [Anglais - PDF 589 ko]
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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
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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.
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Mesure en navigation du taux de turbulence ambiante dans la région de la
quille avec un corps de référence instrumenté
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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 :
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profils de quille à trimtab
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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.
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