Dimensionner une propulsion, ce n'est pas calculer une hélice : c'est établir ce que le navire demande, puis vérifier que l'hélice le fournit. L'architecture navale CFD commence donc en amont de l'hélice — par la carène.

La chaîne : la carène et ses vagues, la résistance totale, le point de fonctionnement, l'hélice, la vérification CFD. Heliciel porte les cinq maillons, et ce didacticiel les parcourt dans l'ordre — en partant de la géométrie de la coque, et non de coefficients recopiés d'un tableau.

• Prérequis : la géométrie de la carène — un fichier STL ou IGES de la coque nue, ou l'une des carènes livrées avec le logiciel — et la vitesse visée ;
• Durée : quelques secondes par calcul de vagues, l'onglet Traînée est immédiat, la vérification CFD prend le temps d'une Phase 1 ;
• Ce que vous en tirez : une poussée à fournir justifiée par la carène, et une hélice vérifiée pour cette poussée.

• Déroulé du didacticiel :

1. La carène dans l'étude de vagues
2. La résistance totale dans l'onglet Traînée
3. Du besoin de poussée au point de fonctionnement
4. Choisir et régler l'hélice
5. Vérifier par le calcul CFD
6. Insérer la coque ou un appendice dans le domaine
7. Ce que cette chaîne ne dit pas

1 : La carène dans l'étude de vagues

Ouvrez Édition > Hydrodynamique > Vagues de navire (Michell / Kelvin). La fenêtre est autonome : elle ne lit ni ne modifie le projet d'hélice ouvert dans le concepteur. À la première ouverture, elle affiche un projet d'exemple livré avec le logiciel — une coque déjà calculée, que vous pouvez explorer avant d'insérer la vôtre.

La fenêtre a deux onglets : Modèle et vague, avec la vue 3D et les panneaux de paramètres, et Traînée, objet de l'étape suivante.

Charger la coque. Trois voies dans le groupe Coque du panneau Modèle :

• Insérer une coque (STL, IGES)… : votre géométrie. Un fichier IGES est converti et symétrisé automatiquement, et le compte rendu de conversion s'affiche. Insérez la coque nue : quille et safran fausseraient les hydrostatiques, ils sont traités par leur surface mouillée à l'étape 2 ;
• la liste des carènes analytiques et le bouton Générer la carène : la carène de Wigley, le strut de Michell, un ellipsoïde, une surface planante prismatique, ou une carène tabulée de la Série 60. Ce sont des formes exactes, utiles pour apprendre l'outil et pour vérifier qu'il se compare bien à lui-même ;
• la Série de voiliers de Delft (DSYHS) : des maquettes de voiliers publiées, chargées en un clic. Elles mesurent deux mètres environ : c'est le champ Échelle du fichier qui les porte à la taille réelle.

Positionner la coque. Échelle du fichier (unités → m) pour un STL en millimètres, Enfoncement (m) pour la profondeur de la quille sous la flottaison, puis Roulis x, Tangage y et Lacet z. L'enfoncement suit l'échelle de lui-même : une maquette portée à l'échelle 5 ne flotte pas comme un bouchon. Un enfoncement plus grand que la coque est ramené à sa hauteur, et le journal le dit. La coque affichée suit chaque réglage ; le champ de vagues, lui, attend que vous relâchiez la molette.

Régler l'écoulement. Dans le panneau Paramètres simulation, groupe Écoulement : Vitesse (m/s), Masse volumique (1 000 en eau douce, 1 025 en mer) et Profondeur d'eau, 0 pour l'eau profonde. Le nombre de Froude s'affiche aussitôt : c'est lui qui gouverne le motif de vagues et la part de vague dans la résistance.

Calculer et afficher. Le bouton du bandeau tranche la coque en couples, forme le spectre de vagues libres, et dessine sur l'eau le sillage de Kelvin : les vagues transversales et divergentes, dans le V à 19,47° que toute source en surface produit. Le curseur de vitesse au-dessus de la vue permet de voir le motif se resserrer ou s'ouvrir ; la case Balayer le Froude le fait défiler.

Le sillage de Kelvin de la carène, vu de dessus : vagues transversales et divergentes, sommet du V à l'étrave

Lire la zone d'information. Sous les panneaux, le calcul rend ses nombres, et chacun servira plus loin :

• le nombre de Froude et la longueur d'onde transversale λ0, qui dit la taille des vagues ;
• la résistance de vagues de Michell (N) et le coefficient Cw qui en découle : la part de la résistance que la carène dépense à faire des vagues, selon la théorie linéaire du navire mince. Un ordre de grandeur et un recoupement, pas une mesure : la section 7 y revient ;
• les hydrostatiques : surface mouillée, volume, déplacement, flottaison Lwl × Bwl × T, coefficients CB / CM / CP / CWP et LCB. Ce sont exactement les grandeurs que réclament les méthodes de résistance de l'étape suivante — et elles sont mesurées sur votre coque, pas estimées.

Un point de méthode : ces coefficients valent pour la coque nue. Une section concave est comblée par le tranchage, un appendice élargit la carène. C'est la raison de ne charger que la coque, et de réserver les appendices à leur surface.

La zone d'information : résistance de vague de Michell, Cw, puis les hydrostatiques relevées sur la coque

2 : La résistance totale dans l'onglet Traînée

Le bouton Étudier la traînée de cette carène s'allume dès qu'un calcul a abouti. Il actualise le Relevé sur la carène, présélectionne un type de navire d'après la provenance de la coque, et passe à l'onglet Traînée. Rien n'y est calculé encore : le calcul reste votre geste.

Choisir le type de navire. C'est le choix qui compte : le type décide de la méthode, et la Méthode retenue s'affiche avec la phrase qui dit jusqu'où elle vaut.

Distinguer le relevé de la saisie. L'onglet sépare deux blocs, et c'est toute sa valeur. Le Relevé sur la carène, en lecture seule, reprend S, ∇, déplacement, Lwl, Bwl, T, CB, CP, CM, CWP, LCB, la masse volumique et la vitesse : tout cela vient de la coque, vous ne le tapez pas. Le bloc À renseigner ne demande que ce qu'aucune géométrie immergée ne donne :

• Surface mouillée des appendices (m²) : quille et safran, ajoutés à la surface de la coque nue. Une coque DSYHS propose d'elle-même la surface de ses appendices standard, à l'échelle ;
• Vitesse maximale (nœuds) de la courbe, préremplie avec la vitesse de l'étude ;
• Facteur de forme (1+k) pour les méthodes à déplacement, Viscosité ν, Rugosité facultative ;
• Cw ×10⁻³ pour l'ITTC générique, facultatif : le Cw de Michell lu à l'étape 1 est un candidat, à la vitesse de l'étude ;
• Dièdre β et LCG pour Savitsky.

Calculer la traînée. La courbe trace la traînée totale R_T avec ses deux parts, visqueuse R_V et de vague R_W, en fonction de la vitesse en nœuds. Le texte de résultat donne R_T et la puissance effective P_E = R_T × V à la vitesse maximale — et, en regard, le Rw de Michell de la même carène à la vitesse de l'étude. Deux théories sur une seule géométrie : c'est un recoupement, pas une substitution. S'ils divergent fortement, l'une des deux est hors de son domaine, et le tableau ci-dessus dit laquelle.

Pour Savitsky, lisez aussi les alertes : les vitesses écartées faute de régime planant ne figurent pas dans la courbe, et le texte le dit.

L'onglet Traînée : le relevé vient de la coque, la saisie ne porte que ce qu'elle ne donne pas, et la courbe sépare frottement et vague

Le menu Fichier de la fenêtre enregistre l'ensemble dans un projet de vagues (.hlvag), réglages et coque embarquée : il se rouvre tel quel sur un autre poste. Il exporte aussi l'image de la vue et la nappe ζ(x, y) en CSV.

3 : Du besoin de poussée au point de fonctionnement

À la vitesse visée, la poussée nécessaire est égale à la résistance totale R_T lue à l'étape 2, majorée des marges d'usage : état de mer, salissure, vieillissement. C'est le premier nombre que l'hélice devra fournir. Le point de fonctionnement se ferme ensuite avec trois autres grandeurs : la vitesse d'avance dans le plan de l'hélice, le régime disponible, et le diamètre admissible.

Aucune des trois n'est libre. Le diamètre est borné par le tirant d'eau — que vous connaissez maintenant — et le dégagement de voûte ; le régime par le moteur et son réducteur ; la vitesse d'avance diffère de la vitesse du navire, parce que l'hélice travaille dans le sillage de la carène.

Ce dernier point est le plus subtil de la chaîne. L'eau qui arrive sur l'hélice a été ralentie par le passage de la carène : l'hélice avance donc, relativement au fluide, moins vite que le navire. En sens inverse, l'hélice en aspirant augmente la résistance de la carène. Ces deux effets d'interaction sont traditionnellement traités par des coefficients établis par l'expérience, et ils ne sont ni dans l'onglet Traînée ni dans le calcul d'une hélice en eau libre.

L'étude de vagues en montre une trace : le groupe Propulseur (disque de poussée) du panneau Modèle place un disque à la poussée que vous venez d'établir, à la position de l'hélice — sous l'eau, x négatif vers la poupe. Le calcul rend alors la résistance de vague de la coque seule, du propulseur seul, et de l'ensemble : la différence est l'interférence entre le sillage et le creux d'aspiration, visible sur l'eau. Le titre du groupe affiche la puissance utile poussée × vitesse, en kW et en chevaux : ce n'est pas la puissance à l'arbre, le rendement d'hélice n'y est pas.

Pour le régime, Heliciel dispose d'outils de recherche par balayage dans le concepteur : trouver le régime qui donne une poussée visée, ou celui qui maximise le rendement. Ils travaillent en BEM, donc instantanément, et c'est là qu'il faut explorer.

4 : Choisir et régler l'hélice

Deux voies s'offrent à vous dans le concepteur d'Heliciel, et elles ne s'excluent pas.

Partir d'une hélice de référence. La série B de Wageningen, embarquée depuis la version 12.1.2, fournit une géométrie complète et documentée : nombre de pales, rapport de surface, rapport de pas. C'est un point de départ sain, et un étalon de comparaison — le didacticiel n°18 exploite cette seconde qualité.

Concevoir sur mesure. Le BEM d'Heliciel optimise le vrillage et la distribution de corde pour votre point de fonctionnement précis, ce qu'une série systématique ne peut pas faire par construction. Le didacticiel de conception de l'hélice de bateau détaille les gestes ; la poussée à saisir est celle de l'étape 3.

Dans les deux cas, deux vérifications s'imposent avant de passer à la CFD : le risque de cavitation, qui dépend de l'immersion de l'axe — renseignez-la, elle sera reprise par le calcul CFD — et la tenue mécanique de la pale, que le module de résistance d'Heliciel évalue en flexion et en traction centrifuge.

L'hélice retenue pour cette carène : le point de fonctionnement vient du navire, pas d'une hypothèse

5 : Vérifier par le calcul CFD

La CFD n'intervient qu'ici, sur la ou les configurations retenues. Fichier > Nouveau cas CFD (depuis le modèle actuel), préréglage Libre Level 5 — Étude au minimum, Phase 1. Le didacticiel n°13 suit un cas marin complet du BEM au sillage.

Trois vérifications valent le temps du calcul :

• la poussée et le couple, confrontés au BEM — avec la précaution de ne pas comparer un total incluant le moyeu à une valeur de pales ;
• la carte de pression sur l'extrados, où la cavitation apparaît en premier ;
• l'écoulement au bout de pale et au pied, deux zones où une hélice marine perd du rendement sans que le BEM le montre.

Si votre propulsion est carénée — tuyère, propulseur azimutal, propulseur d'étrave — Heliciel vous demandera de préciser la configuration : carénage en écoulement libre, ou conduit fermé. Une tuyère de remorqueur relève du premier cas ; un propulseur d'étrave en tunnel traversant relève du second, traité au didacticiel n°15.

La vérification CFD : le champ que le BEM ne produit pas, sur la configuration retenue

6 : Insérer la coque ou un appendice dans le domaine

Une hélice de navire ne travaille jamais seule : il y a un arbre, une chaise, un safran, parfois un tunnel. L'onglet Insertion du banc CFD permet d'ajouter un objet au domaine de calcul.

Deux voies : importer une géométrie avec Insérer modèle .STL, ou fabriquer une primitive avec Insérer Cube, Insérer Sphère ou Insérer Cylindre. Les primitives naissent à la taille unitaire et centrées ; la cote voulue se règle ensuite avec les champs Échelle X/Y/Z, la case Homothétie liant les trois axes. Le cylindre naît d'axe vertical : pour en faire un tronçon d'arbre aligné sur l'écoulement, couchez-le avec le curseur Tangage.

L'étude de vagues fournit la géométrie de la coque prête à cet usage : Exporter la coque en STL…, dans le groupe Coque, écrit la coque telle qu'elle est positionnée — échelle, attitude et enfoncement appliqués, flottaison en z = 0. Le fichier d'origine, lui, reste brut. Un point de rigueur avant de l'insérer : le calcul CFD d'Heliciel n'a pas de surface libre (section 7). Une coque entière y serait mouillée jusqu'au pont, et son sillage de vagues n'existerait pas. L'insertion a donc son sens pour les appendices et la ligne d'arbre, qui conditionnent l'écoulement arrivant sur l'hélice ; pour la coque complète, elle ne remplace pas les coefficients d'interaction de l'étape 3.

Le positionnement se fait en pourcentage du domaine, sur les trois axes, avec trois rotations. Après placement, remaillez : l'objet doit apparaître comme une frontière à part entière dans le rapport de maillage, et ses forces figureront séparément dans le tableau de résultats. Si l'objet n'apparaît pas dans la liste des frontières, il n'est pas dans le domaine, et le calcul tournera sans lui — sans erreur, et sans effet.

L'onglet Insertion : un objet placé dans le domaine, avec sa position en pourcentage et ses rotations

7 : Ce que cette chaîne ne dit pas

Quatre limites à énoncer avant de livrer un dossier :

• La résistance de vague de Michell est un modèle linéaire. Théorie du navire mince, vagues libres en aval, eau profonde par défaut : la forme de la coque n'entre que par la répartition de ses largeurs, et le champ n'est pas validé contre une mesure. La zone d'information affiche un indicateur de domaine — élancement, angle de validité — à lire avant de citer le chiffre. C'est un recoupement de la méthode statistique, pas une valeur de bassin ;
• Les méthodes de traînée ont chacune un domaine. Holtrop & Mennen sur une carène planante, ou Savitsky sur un cargo, produit un nombre sans aucun sens. Le type de navire est là pour l'empêcher : choisissez-le pour ce que votre navire est, pas pour la méthode que vous préférez ;
• Le calcul CFD est en eau libre. La carène n'est pas dans le domaine, et il n'y a pas de surface libre : le calcul est monophasique et sans gravité, sans vague, sans interface, sans ventilation. Les interactions carène-hélice — sillage, succion — restent traitées par des coefficients d'expérience. Une hélice profondément immergée s'en accommode ; un propulseur affleurant ou une hélice de surface, non ;
• La cavitation est évaluée, pas simulée. Le calcul dit où la pression descend sous le seuil de vaporisation ; il ne modélise ni la formation ni l'implosion des poches, et ne prédit donc ni la perte de poussée ni l'érosion.

Ces limites ne disqualifient pas la chaîne : elles en délimitent l'usage. Un dossier qui les énonce vaut mieux qu'un dossier qui les tait — c'est l'objet du didacticiel n°20.

La collection des vingt didacticiels CFD

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1. Première simulation CFD d'hélice
2. Lire le dossier de cas OpenFOAM
3. Choisir son préréglage de maillage
4. La zone MRF et la Phase 1
5. La Phase 2 en maillage glissant
6. Confronter le BEM et la CFD
7. Lire la convergence d'un calcul
8. Les modèles de turbulence
9. Couche limite et y+
10. Lire une carte de pression
11. D'où viennent les forces
12. Vérifier une polaire de profil
13. Hélice marine et cavitation
14. Éolienne et hydrolienne
15. Ventilateur en conduit fermé
16. Hélice d'avion, croisière et point fixe
17. La boucle d'optimisation
18. Se caler sur une référence
19. De la carène à l'hélice (vous êtes ici)
20. Le dossier de calcul livrable

Cette série accompagne les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. La CFD vient après eux, pour vérifier et pour voir.