Caractérisation de la génération et de la propagation de bulles autour de la carène des navires scientifiques

Characterization of the generation and propagation of bubbles around the hull of scientific vessels

• Auteur / Autrice : Sylvain Delacroix
• Direction : Jean-Yves Billard, Grégory Germain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 11/03/2015
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de l'Ecole navale (Brest)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Brossard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Billard, Grégory Germain, Jérôme Brossard, Laurent David, Jean-Marc Foucaut, Noureddine Latrache, Philippe Druault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent David, Jean-Marc Foucaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navires -- Hydrodynamique

Acoustique sous-marine

Bulles

Mots clés libres

Carène

Productivité du navire

Entraînement d’air

Bulles

Vague d’étrave

Hull

Vessel’s productivity

Air entrainment

Bubbles

Bow wave

Résumé

L'une des principales missions de l'Ifremer consiste à étudier les ressources sous-marines et les fonds marins via une flotte océanographique importante, employée à travers le globe. Pour ce faire, les navires sont équipés d'équipements acoustiques de type SONAR afin d'obtenir les informations recherchées dans la colonne d'eau. Dans certaines conditions de navigation, la houle et les mouvements du navire génèrent un entraînement d'air conséquent sous la surface. Des nuages de bulles sont ainsi formés et entraînés sous la carène par l'écoulement. L'interaction entre ces bulles et les ondes acoustiques peuvent entraîner des pertes de données, et par conséquent une diminution importante de la productivité du navire. Les outils permettant l'étude du phénomène sont actuellement limités. Les modèles numériques ne sont pas suffisamment performants, pour simuler conjointement les mécanismes d'entraînement d'air à l'étrave puis l'écoulement dysphasique autour de la carène, et les essais classiques en bassin de traction ne donnent pas entière satisfaction. Dans le cadre de cette thèse, une méthode d'essai spécifique, pour l'étude de ce phénomène, a été développée et mise en place au bassin à houle et courant de l'Ifremer. Cette méthode nécessite la synchronisation entre un générateur de houle et un générateur de mouvement (hexapode), permettant d'imposer les mouvements calculés au préalable par simulation numérique à la maquette. Cette configuration permet d'étudier indépendamment les effets de la houle et des mouvements sur la génération des bulles. L'instrumentation employée permet de filmer et de caractériser l'entraînement d'air à l'étrave de la maquette. Deux mécanismes distincts ont été observés : la génération de bulles par entraînement tourbillonnaire ou par le déferlement de la vague d'étrave. Une méthode de traitement d'image a été élaborée pour analyser ces mécanismes pour de nombreuses configurations d'essais. Une étude paramétrique a été réalisée afin de calculer la fréquence de génération de bulles en fonction de chaque paramètre d'essai. Des mesures PIV de l'écoulement permettent de corréler la dynamique des nuages de bulles et de l'écoulement. L'ensemble des résultats obtenus permet d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension et l'étude du phénomène, avec la perspective d'obtenir un outil fiable facilitant la conception des navires océanographiques.

One of the main assignments of Ifremer is to study the seabed and the resources undersea, through a large oceanographic fleet used across the globe. For that purpose, ships are equipped with different kinds of SONAR (SOund Navigation And Ranging) to obtain the information sought in the water column. In some sea conditions, waves and ship motions generate significant air entrainment below the surface. Bubble clouds are then carried under the hull by the flow. The interaction between these bubbles and the acoustic waves may result in data loss, and therefore in a considerable reduction of the vessel’s productivity. The tools used to study this phenomenon are currently limited : the numerical models are not efficient enough to simulate at a time air entrainment at the bow and the two phase flow around the hull. On the other hand conventional towing tank tests are not entirely satisfactory. During this PhD research work, a specific test method to study this phenomenon has been developed and implemented at the Ifremer wave and current tank. This method requires the synchronization between a wave generator and a movement generator (hexapod) that enables to force the model motions, calculated in advance by numerical simulations. With this configuration, the effects of waves or motions characteristics on the bubbles generation can be studied independently. A complete instrumentation allowed to acquire images sequences to characterize the air entrainment at the bow of the model. Two distinct mechanisms have been observed : the generation of bubbles by vortex shedding or by the breaking bow wave. A post-processing method has been developed to analyse these mechanisms, for many test configurations. A parametric study was performed to calculate the frequency of bubbles generation for each test parameter. PIV measurements allowed to correlate the dynamic of bubbles clouds with the own flow dynamic. The overall results provide new elements for the understanding and the study of the phenomenon, with the final objective of obtaining a reliable tool that facilitates the design of research vessels.