Vagues de navire et traînée de carène : l'étude qui précède l'hélice

Une hélice de bateau se dimensionne sur une poussée. Cette poussée, c'est la résistance à l'avancement de la coque à la vitesse visée : tant qu'on ne la connaît pas, tout le reste — diamètre, pas, régime, puissance moteur — repose sur une hypothèse. Heliciel calcule cette résistance, et montre en même temps ce qui la produit : le système de vagues que la coque traîne derrière elle.

Ce que vous faites dans ce didacticiel : monter une carène, calculer son champ de vagues, en tirer une résistance, puis la convertir en cahier des charges pour l'hélice.

• Prérequis : aucun projet particulier — cette fenêtre est autonome ;
• Durée : un calcul de champ de vagues et une lecture de traînée ;
• Ce que vous en tirez : une courbe de résistance en fonction de la vitesse, et l'image de sillage qui va avec.

• Déroulé du didacticiel :

1. Pourquoi la carène avant l'hélice
2. Ouvrir l'étude de vagues
3. Choisir ou charger la carène
4. Régler l'écoulement et les amendements
5. Lire le champ de vagues et la résistance de vague
6. Ajouter le propulseur
7. L'onglet Traînée : la résistance totale
8. Travailler sans coque, à partir d'une fiche de carène

1 : Pourquoi la carène avant l'hélice

La résistance d'une coque n'est pas une constante : elle croît avec la vitesse, et pas régulièrement. Une part vient du frottement sur la surface mouillée, une autre de la formation de vagues — l'énergie que la coque abandonne au plan d'eau. C'est cette seconde part qui explique les paliers et les bosses de la courbe de résistance, et c'est elle que la théorie de Michell permet de calculer à partir de la forme de la carène.

2 : Ouvrir l'étude de vagues

Menu Édition/Outils > Hydrodynamique > Vagues de navire (Michell / Kelvin). Heliciel ne pilote qu'une scène 3D à la fois : l'affichage du prototype d'hélice se met en pause pendant l'étude, et repart à la fermeture de la fenêtre.

L'entrée de menu

3 : Choisir ou charger la carène

Dans l'onglet Modèle et vague, groupe Coque, deux voies :

• une carène analytique de la bibliothèque livrée : sa forme est décrite par une équation, ses dimensions sont les vôtres. C'est la voie d'avant-projet, et celle des comparaisons ;
• une coque chargée depuis un fichier : votre carène réelle. Heliciel en relève alors lui-même les caractéristiques hydrostatiques dont les méthodes de traînée ont besoin.

Bibliothèque de carènes analytiques, ou coque chargée

4 : Régler l'écoulement et les amendements

Onglet Paramètres simulation. Le groupe Écoulement porte la vitesse d'avance et les conditions du plan d'eau. Le groupe Amendements du modèle (théorie mince) mérite un mot : la théorie de Michell suppose une carène mince par rapport à sa longueur. C'est une hypothèse, pas une vérité ; les amendements servent à en corriger les effets connus. Une carène très pleine sort du domaine de validité de la théorie mince : la résistance de vague calculée devient indicative.

L'écoulement et les amendements de la théorie mince

5 : Lire le champ de vagues et la résistance de vague

Le calcul produit deux choses. D'abord le système de vagues de Kelvin : ce sillage en V, dont le demi-angle est une constante de la physique en eau profonde, et dont les crêtes transversales et divergentes apparaissent distinctement dans la scène. Ensuite la résistance de vague intégrée par la théorie de Michell : un chiffre, en newtons, pour la vitesse demandée.

Le sillage de Kelvin : l'énergie que la coque laisse au plan d'eau

6 : Ajouter le propulseur

Le groupe Propulseur (disque de poussée) introduit l'action de l'hélice dans le champ. On voit alors ce que l'installation change au sillage — c'est l'entrée en matière de l'interaction coque-hélice, que la seule courbe de résistance ne montre pas.

Le disque de poussée dans le champ de vagues

L'onglet Rendu sert ensuite à produire une image lisible dans un dossier : zone et rendu, écume de vent, marquage des crêtes qui déferlent.

Le rendu : la même physique, rendue présentable

7 : L'onglet Traînée — la résistance totale

L'onglet Traînée transforme l'étude en chiffre utilisable. Vous commencez par le groupe Type de navire : cargo, pétrolier, chalutier, frégate, voilier de croisière, voilier de course, dériveur, vedette lente, vedette rapide planante, semi-rigide… Ce choix n'est pas cosmétique : il détermine la méthode retenue, et donc les données à réunir.

• ITTC générique : la ligne de frottement classique, quand vous connaissez la surface mouillée et le facteur de forme de votre carène ;
• Holtrop & Mennen : carène à déplacement, traînée de vague comprise, à partir de la seule géométrie de coque ;
• Savitsky : carène planante à bouchain vif, avec assiette d'équilibre et marge de marsouinage.

Quand une coque est chargée, le bloc Relevé sur la carène est rempli par la géométrie : vous n'avez rien à recopier, et rien n'est supposé.

Le type de navire choisit la méthode ; la carène chargée fournit les grandeurs

8 : Travailler sans coque, à partir d'une fiche de carène

Il arrive qu'on n'ait pas la coque en fichier, mais qu'on en ait les caractéristiques : une notice de chantier, un procès-verbal de bassin, une fiche technique. Dans ce cas, ne chargez aucune coque  : le bloc devient saisissable, et Heliciel affiche un gabarit grandeur = valeur qui ne liste que les grandeurs réellement utilisées par la méthode retenue. Changer de type de navire régénère le gabarit sans effacer ce que vous avez déjà tapé.

Une ligne manquante, une unité hors domaine, une grandeur inconnue : la saisie est refusée en nommant la ligne fautive. Aucune valeur n'est suppléée, aucune moyenne de complaisance n'est inventée — c'est une règle de conception d'Heliciel, et elle vaut ici comme ailleurs.

Sans coque chargée : la carène se déclare, ligne par ligne

Le menu Fichier de la fenêtre termine le travail : image du champ de vagues, tableau ζ(x, y) au format CSV, enregistrement des paramètres et du projet. L'export de la coque en STL, lui, est resté dans le groupe Coque, là où elle se charge.

Les sorties : coque, image, CSV

Et ensuite ? La résistance que vous venez de calculer est la poussée que l'hélice devra produire. Enchaînez avec la série B de Wageningen pour un premier choix d'hélice, ou avec le didacticiel de conception d'hélice de bateau pour une conception complète. Pour aller voir l'écoulement lui-même, la page De la carène à l'hélice reprend la chaîne côté simulation CFD.