Modélisation numérique des vagues générées par le navire et leurs interactions avec la voie navigable

Ship-waves modelling and their interactions with inland waterways

• Auteur / Autrice : Zhaoyuan Huang
• Direction : Abdellatif Ouahsine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Lacazedieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues

Voies navigables

Interaction fluide-structure

Résistance à l'avancement (hydrodynamique)

Navires -- Hydrodynamique

Hydrodynamique

Modélisation CFD

Mots clés libres

Hydrodynamique navale

Vague d’étrave

Mécanique des fluides numérique (CFD)

Hydrodynamic

Ship-induced waves

Advancing resistance

Computantional fluid dynamics (CFD)

Fluid-structure interaction (FSI)

Inland waterway

Résumé

Le sujet de thèse concerne la Modélisation de l’impact de la navigation fluviale sur la voie navigable par les méthodes CFD, en utilisant OpenFoam. Dans la première partie de la thèse, l’hydrodynamique des navires en milieux confinées a été étudiée. Elle consiste en la caractérisation de l’écoulement autour du navire et la génération des vagues de batillage en fonction des caractéristiques géométriques et cinématiques du bateau et également des caractéristiques géométriques du chenal de navigation. Pour cela, une étape de modélisation numérique adaptée à la navigation en milieux confinés, qui concerne le choix du type de maillage, de schéma numérique, etc.., a été élaborée. La deuxième partie est consacrée (i) tout d’abord à la validation et la comparaison des résultats numériques avec les mesures expérimentales en laboratoire du CNR (Compagnie Nationale du Rhône) (ii) ensuite à l’examen de la résistance à l’avancement du bateau suivant différentes configurations géométriques du canal de navigation (largeur, profondeur d’eau, etc.…) (iii) enfin, à la modélisation des processus du Sinkage et du Trim du bateau et à leur influence sur la résistance à l’avancement du bateau. Outre les dimensions géométriques du canal de navigation, l’enfoncement, le tirant d’eau, et la vitesse du bateau ont été également pris en compte pour étudier leur influence sur la résistance à l’avancement. La troisième partie de la thèse est consacrée à l’étude de l’influence des vagues d’étrave et des ondes de batillage générées par le déplacement des bateaux sur les berges des voies navigables et notamment sur la stabilité des blocs de protection des berges. Les blocs forment ici un milieu discret et sont considérés comme des corps rigides susceptibles d’entrer en collision les uns avec les autres et avec les berges. Ainsi, dans cette partie, un modèle de corps rigides à 6 Degrés de Liberté (6DoF), qui tient compte de la forme des blocs, a été utilisé pour (i) tenir compte des processus de contact et de collision solide-solide et solide-bords rigides et pour (ii) étudier la stabilité de la berge, en se basant sur la moyenne des mouvements des blocs.

The subject of this thesis concerns the investigation of ship hydrodynamics, shipinduced wave modeling, and wave-bank interactions in restricted waterways by CFD approaches based on OpenFOAM. The first part of this thesis is focused on the study of the hydrodynamics of ships in a restricted environment. This consists of the characterization of the flow around the ship and the generation of waves according to the geometric and kinematic characteristics of the ship and also the geometric characteristics of the waterway channel. To this end, the steps of numerical modeling adapted to navigation in a confined environment, which concern the preference of meshgeneration, numerical schemes, etc., was developed. The second part is devoted (1) first to the validation and comparison of the numerical results with the experimental measurements from the laboratory of the CNR (Compagnie Nationale du Rhône) are carried out; (2) next to the examination of the ship’s forward resistance according to different geometric configurations of the waterway channel (width, water depth, slope, etc.) (3) finally, to the implementation of a six-degree-of-freedom model (6DoF) to assist in the modeling of the sinkage and trim processes of ships in restricted waterways. Meanwhile, the critical effects of ships under different speed conditions in restricted environments were also researched and analyzed. The third part of the thesis deals with the study of the influence of waves induced by ships on the banks of inland waterways and in particular on the stability of the bank protection blocks. The erosion effect caused by the impact and shear of ship-induced waves on the exposed river bank was studied. The armor protection layer on the river bank is composed of discrete blocks and these blocks are regarded as rigid bodies that can collide with each other and with the banks. Thus, in this part, a CFD-DEM solver, SediFoam, was applied to (1) take into account the solid-solid and solid-boundary of domain rigid contact and collision processes and (2) investigate the stability of the rocky layer of banks, based on the average of the movements of the blocks.