Équilibre dynamique d'une voile par une approche fluide structure

Dynamical balance of a yacht sail by a fluid structure approach

¹ École Navale, Institut de Recherche de l'École Navale (IRENav EA 3634), Lanvéoc Poulmic, BP 600, 29240 Brest Armées, France
² Société K-EPSILON, 30 rue de Richelieu, 76087 Le Havre, France

Auteur de correspondance : hauville@ecole-navale.fr

Reçu : 14 Janvier 2005
Accepté : 13 Octobre 2005

Résumé

Le coût élevé des essais en bassin de carène associé aux performances accrues des moyens de calcul amène les architectes navals à utiliser de plus en plus les outils de simulations numériques pour la conception de voiliers. Ainsi, de nouveaux VPP (Velocity Prediction Programm) entièrement numériques se sont développés [ Roux et al. Yacht performance prediction: Towards a numerical vpp, in: High Performance Yacht Design Conference, December 2002, Auckland] . Ces outils, basés sur la modélisation aéroélastique des voiles couplée à un modèle d'écoulement hydrodynamique avec surface libre autour de la carène, permettent la modélisation numérique d'un voilier en navigation réelle. L'étude présentée traite de la modélisation aéroélastique. Elle porte sur l'interaction d'une structure tridimensionnelle idéalement flexible avec un écoulement instationnaire. L'objectif est d'inclure la déformation et le déplacement du câble supportant la voile d'avant du voilier (l'étai) qui modifie le volume de la voile et donc le fonctionnement du voilier. Le problème aéroélastique couplé est résolu par une méthode itérative où les simulations élastiques et aérodynamiques se succèdent pour converger vers un équilibre statique. Nous introduisons plus particulièrement dans ce travail la résolution mécanique d'un câble soumis à un chargement tridimensionnel par une méthode variationnelle et son couplage avec la voile. Le comportement mécanique de la voile est modélisé par un système de réseau de fils [ Le Maître, Contribution numérique à la résolution de problèmes d'interaction fluide structure, Thèse, Institut de mécanique INSA de Rouen, France, 1998]et l'écoulement aérodynamique par une méthode de surface portante associée à une méthode particulaire [ Charvet et al., Numerical simulation of the flow over sails in real sailing conditions, J. Wind Eng. Ind. Aerod. Special Issue Sail Aerodynamics 63 (1996) 111–129]. Nous présentons les résultats d'un calcul aéroélastique d'une voile sur son étai soumis à un écoulement de fluide parfait dans lesquels l'influence d'un étai libre sur le comportement d'une voile est mise en évidence.

Abstract

The high cost of the towing tank tests associated with the computer's progress leads naval architects to increasingly use numerical tools for sailing yacht design. Thus, new entirely numerical Velocity Prediction Programs are developed [Roux et al. Yacht performance prediction: Towards a numerical vpp, in: High Performance Yacht Design Conference, December 2002, Auckland] . These tools, based on the aeroelastic model of the sails coupled to a model of hydrodynamic flow with free-surface around the hull, allow the numerical modelling of a sailing yacht in real navigation. The study presented the fluid-structure interaction model. It relates to the interaction of an ideally flexible three-dimensional structure with a non stationary flow. The objective of this study is to include the deformation and the displacement of the cable supporting the genoa (the stay) which modifies the volume of the sail and thus the behavior of the sailing yacht. The coupled aeroelastic problem is solved by an iterative method where elastic and aerodynamic simulations follow one another to converge towards a static balance. In particular, we introduce into this work the mechanical resolution of a cable subjected to a three-dimensional loading by a variational method and its coupling with the sail. The mechanical behavior of the sail is modelled by a string network system [Le Maître, Contribution numérique à la résolution de problèmes d'interaction fluide structure, Ph.D. Thesis, Institut de mécanique INSA de Rouen,