Développement et validation de modèles transitoires et multi-échelles de signatures électriques sous-marines de navires

Development and validation of multi scales and transcient models of submarines' electrical signatures

• Auteur / Autrice : Michaël Nale
• Direction : Olivier Chadebec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Clenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Chadebec, Emmanuel Aragon, Virginie Roche, Cédric Goeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Mininger, Didier Trichet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navires -- Équipement électrique

Analyse multiéchelle

Champs électriques

Circuits magnétiques

Mots clés libres

Signature électrique

Modélisation

Sous-Marin

Electrical signature

Modeling

Submarine

Résumé

Un navire est le siège de divers phénomènes qui vont perturber l'environnement électromagnétique proche et ainsi créer une anomalie locale des champs magnétique et électrique. Ces anomalies peuvent être source de localisation voire de destruction des navires de la Marine nationale par le biais de mines dont les critères de mise à feu sont multi-influences et notamment électromagnétique. En se concentrant uniquement sur la signature de champ électrique, on peut distinguer deux origines connexes : les processus de corrosion d'une part, provenant du couplage électrochimique entre les différents matériaux du navire (coque, hélice, etc.) et les systèmes de protection pour contrôler ces processus d'autre part. Ceux-ci pouvant reposer sur de nouveaux processus de corrosion via des anodes sacrificielles (PCAS) ou l'injection contrôlée de courant électrique dans l'eau de mer via des anodes actives (PCCI) pour placer les zones endommagées de la coque dans leur domaine électrochimique inactif. Ainsi, des courants bouclent à différents endroits de la surface immergée du navire et génèrent une signature électromagnétique qui peut être variable dans le temps et dont la prédiction est cruciale pour la sécurité du bâtiment. La modélisation de ce type de problème électromagnétique est bien connue en statique. La conductivité de l'eau de mer étant supposée homogène, l'équation de Laplace à l'intérieur du milieu est résolue par la méthode des éléments de frontière (ou BEM pour Boundary Element Method), avec diverses conditions à l'interface eau/matériau. Néanmoins, lorsque l'injection de courant est activée, des effets dynamiques se produisent. Pour les modéliser, une approche transitoire est donc nécessaire. Le présent travail propose une hybridation BEM - circuit électrique qui connecte les composants électriques représentant les phénomènes transitoires aux interfaces eau/matériau, au circuit externe des PCCI. Le développement de ce modèle numérique s'est également appuyé sur des phases de validations expérimentales à l'aide de bancs de mesure conçus et mis en œuvre au LEPMI et au G2ELab.

A ship is the seat of various electromagnetic phenomena, which will disturb its close electromagnetic environment and thus create a local anomaly of the magnetic and electric field. These anomalies can be a source of localization or destruction for the ships by mines whose firing criteria are multiple including electromagnetic. Focusing on the electrical signature, we can distinguish two related origins: corrosion processes, coming from electrochemical coupling between different components of the ship (hull, propeller ...) and corrosion protection systems. These ones can be either passive adding other corrosion processes via sacrificial anodes or active with impressed electric current in sea water, through anodes (ICCP), to place damaged areas of the hull in their inactive electrochemical domain. Thus, currents loop at different locations on the submerged surface of the vessel and generate a time-varying electromagnetic signature whose prediction is crucial for the safety of the vessel. The static modelling of this type of electromagnetic problem is well known. Since the conductivity of seawater is assumed homogeneous, the Boundary Element Method (BEM), with various conditions at the water/material interface, solves the Laplace equation inside the medium. Nevertheless, when the ICCP is activated, dynamic effects occur and a transient approach is necessary. The present work proposes a BEM - electrical circuit hybridization, which connects the electrical components, representing the interfaces transient phenomena, to the external circuit of the ICCP. The development of this numerical model is also based on experimental validation phases using measurement benches designed and implemented at LEPMI and G2ELab.