Du rôle des instabilités de surface libre autour d'une crête de vague déferlante dans la variabilité des mesures de pression d'impact

The role of free surface instabilities around a breaking wave crest in the variability of impact pressure measurements

• Auteur / Autrice : Anaïs Messaoudi
• Direction : Julien Touboul
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Inscription en doctorat le 20/05/2024
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRPHE - Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre

Mots clés

Mots clés libres

Impact hydrodynamique

Instabilitiés de surface libre

Variabilité des pressions d'impact

Sloshing

Tension de surface

Canal à houles

Hydrodynamic impact

Free surface instabilities

Variability of impact pressures

Sloshing

Surface tension

Wave flume tank

Résumé

En ingénierie navale, prédire l'intensité d'un chargement extrême tel que l'impact hydrodynamique peut être primordial pour garantir la tenue structurelle. C'est tout particulièrement le cas pour les navires de transport cryogéniques équipés de cuves isolées thermiquement, pouvant contenir plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes de gaz à l'état liquide, comme du gaz naturel, et à l'avenir du méthanol, de l'ammoniac ou de l'hydrogène. Ces navires sont soumis à la houle. Les mouvements induits provoquent le ballotement de la cargaison liquide (sloshing). Des impacts de vagues internes sur le système d'isolation, qui tapisse les parois de la cuve (technologie GTT), peuvent alors engendrer des chargements importants auxquels la structure isolante en question doit résister. Dans ce cas, il est alors essentiel d'évaluer les chargements extrêmes que le liquide est susceptible d'exercer sur les parois de la cuve au cours de la vie de la structure. Une meilleure connaissance des phénomènes hydrodynamiques et thermodynamiques, qui se produisent en particulier au niveau de la surface libre lors de ces impacts, doit permettre d'améliorer la prédiction des pressions d'impact. Plusieurs campagnes d'essais expérimentaux passées révèlent que les instabilités de surface libre, en particulier, pourraient jouer un rôle non négligeable sur les pressions d'impact statistiques et leur variabilité. Celles-ci se développent typiquement peu avant l'impact d'une vague déferlante sur une paroi et sont la conséquence de l'écoulement cisaillant du gaz à la surface du liquide. Elles peuvent prendre la forme de légères ondulations de la surface libre, aller jusqu'à son atomisation, en passant par des structures filamentaires. Les effets de tension de surface jouent un rôle prépondérant dans ce phénomène. L'objectif premier de la thèse est d'estimer la contribution des instabilités de surface libre dans les pressions d'impact. Ce travail expérimental, à l'aide de deux canaux à houle (Centrale Marseille et MARIN), vise en premier lieu à comparer ces pressions mesurées, au sens statistique, pour l'impact de vagues déferlantes de même forme globale mais présentant des niveaux d'instabilités de surface libre différents. Au-delà, il s'agit de mettre au point des moyens de mesure permettant de caractériser ces instabilités de surface libre (nature, paramètres géométriques, densité surfacique, taux de croissance, etc.) dans la perspective d'établir des liens, si possible quantitatifs, entre ces caractéristiques et les pressions mesurées. Un intérêt important de ces travaux réside dans la mise à l'échelle des pressions d'impact. Il s'agit ainsi de prédire comment des pressions d'impact qui seraient mesurées à petite échelle, dans des cuves modèles, pourraient être extrapolées à l'échelle réelle en tenant compte des instabilités de surface libre, dont l'émergence et le développement sont favorisés à grande échelle par des effets de tension de surface réduits, relativement. La thèse inclura un volet sur ce sujet.

In the field of marine engineering, the ability to predict the intensity of extreme loads, such as hydrodynamic impact, is of paramount importance in ensuring structural strength. This is particularly true for cryogenic transport ships, which are equipped with thermally insulated tanks that can hold tens of thousands of cubic metres of liquid gas, including natural gas and, in the future, methanol, ammonia or hydrogen. These ships are subject to waves, which induce motion that causes the liquid cargo to slosh around. Internal wave action on the insulation system lining the tank walls (GTT technology) can generate significant loads that the insulation structure in question must be able to withstand. In this case, it is essential to assess the extreme loads that the liquid is likely to exert on the tank walls over the lifetime of the structure. A better understanding of the hydrodynamic and thermodynamic phenomena that occur during these impacts, particularly at the free surface, should help to improve the prediction of impact pressures. Previous experimental test campaigns have demonstrated that free surface instabilities can play a significant role in the statistical impact pressures and their variability. These typically develop just before the impact of a breaking wave on a wall and are the consequence of the shear flow of the gas at the liquid surface. They can take the form of slight undulations of the free surface or even atomisation via filamentary structures. Surface tension effects play an important role in this phenomenon. The primary objective of this study is to assess the contribution of free surface instabilities to impact pressure. This experimental work, conducted using two wave channels (Centrale Marseille and MARIN), aims to initially compare these pressures, measured statistically, for the impact of breaking waves of the same overall shape but with varying levels of free surface instability. Additionally, the project aims to develop measurement methods to characterise these free surface instabilities (nature, geometric parameters, surface density, growth rate, etc.) in order to establish links, preferably quantitative, between these characteristics and the pressures measured. An important aspect of this work is impact pressure scaling. The objective is to predict how impact pressures measured on a small scale in model tanks can be extrapolated to the real scale, taking into account the influence of free surface instabilities. These instabilities emerge and develop more readily on a large scale due to reduced surface tension effects. The thesis will include a section on this topic.