Étude expérimentale des effets de hauteur d'eau finie, de confinement latéral et de courant sur les sillages et la résistance à l'avancement des navires

An experimental study of the effects of finite water depth, lateral confinement and current on ships wakes and drag

• Auteur / Autrice : Clément Caplier
• Direction : Laurent David, Germain Rousseaux, Damien Calluaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Marc Rabaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent David, Germain Rousseaux, Damien Calluaud, Julien Dambrine, Elie Raphaël
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Yves Billard, Pierre Ferrant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relations de dispersion

Navigation intérieure

Ondes de surface

Résistance à l'avancement (hydrodynamique)

Sillage (dynamique des fluides)

Mots clés libres

Sillages de navire

Résistance à l'avancement

Interaction ondes-Courant

Navigation fluviale

Relation de dispersion

Analyse spectrale

Ship wakes

Ship resistance

Wave-Current interaction

River navigation

Dispersion relation

Spectral analysis

Résumé

Ce mémoire présente une étude expérimentale des effets de confinement de la voie d'eau et de courant sur les sillages et la résistance à l'avancement des navires. Deux formes de carènes génériques et représentatives de navires maritimes et fluviaux ont fait l'objet de mesures dans le bassin des carènes de l'Institut Pprime dans différentes configurations bathymétriques. Des méthodes de mesure de déformée de surface libre par moyens optiques stéréoscopiques ont été mises en place pour caractériser les sillages générés. L'étendue spatiale et la résolution des mesures optiques permet de mener une analyse fine du sillage dans l'espace spectral, afin de le décomposer en une composante hydrodynamique dans le champ proche de la carène et une composante ondulatoire dans le champ lointain. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau profonde mettent en évidence la non-linéarité des sillages. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau peu profonde mettent en avant une modification de la forme des sillages et une répartition différente de l'énergie entre les différents systèmes de vagues. L'influence de la forme et de la vitesse des navires sur l'amplitude de la réponse hydrodynamique et du courant de retour est mise en avant. Des mesures en présence de contre-courant montrent une augmentation de l'amplitude des vagues du sillage et un élargissement de la zone de réflexion au niveau des parois du canal. Des mesures de forces de traînée avec un dynamomètre donnent accès aux courbes de résistance dans chaque configuration. L'augmentation de la résistance à l'avancement en eau peu profonde est mise en parallèle avec l'augmentation de l'amplitude et de la longueur d'onde des ondes transverses.

This thesis presents an experimental study of the effects of the waterway confinement and the current on ships wakes and drag. Two generic hulls representative of maritime and river ships have been studied in several bathymetric configurations in the towing tank of the Institut Pprime. Optical measurement methods based on a stereovision principle have been set up to measure the free surface deformations. The spatial extent and the resolution permits to lead a fine analysis of the wakes in the spectral space in order to decompose them into a hydrodynamic component and an undulatory component, respectively in the near-field and the far-field of the ship hull. The results obtained in a deep waterway configuration highlight the non-linearity of the ship wakes, which results in a modification of the shape of the envelop of the wave field in the real space. The results obtained in a shallow waterway configuration show a modification of the shape of the ship wakes and a different distribution of the energy between the wave systems. The influence of the shape and the speed of the ships on the amplitude of the hydrodynamic response and the return current is also identified. The comparison of the measurements in the presence of a counter-current with the results in calm water show an increase of the amplitude of the waves and an enlargement of the wash zone on the walls of the canal. Drag forces measurements with a multicomponent dynamometer give access to resistance curves for each configuration. The increase of the ship resistance in shallow water is put in parallel with the increase of the amplitude and the wavelength of the transverse waves.