Systematic study of the hydrodynamic behaviour of sailing yacht hulls using CFD and parametric design

• Auteur / Autrice : Lionel Huetz
• Direction : Bertrand Alessandrini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes (1962-2021)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navires -- Hydrodynamique

Simulation par ordinateur

Bateaux à voiles

Mots clés libres

Cfd

Résumé

Les performances et le comportement d’un voilier ne peuvent pas être prédits par une seule étude hydrodynamique comme pour les navires à moteur. En effet, le voilier tire sa propulsion de l’écoulement de l’air dans ses voiles ; son comportement est donc régi par l’équilibre des effets aérodynamiques et hydrodynamiques. Une prise en compte couplée de ces deux effets est indispensable pour une bonne compréhension du fonctionnement global du voilier. Une simulation complète incluant les effets hydrodynamiques sur les œuvres vives et aérodynamiques sur les œuvres mortes et les voiles est encore hors de portée des modélisations actuelles. Le recours au VPP (programme de prédiction de vitesse) reste indispensable. Ce type de logiciel tire partie d’un ensemble de résultats hydrodynamiques et aérodynamiques (issus de la simulation, d’expériences ou de lois empiriques) pour prévoir le point d’équilibre du voilier et ainsi en déduire son attitude et sa vitesse dans des conditions de vent données. Les lois empiriques utilisées aujourd’hui pour caractériser le comportement hydrodynamique des carènes de voilier sont issues de séries systématiques dont les caractéristiques sont très éloignées de celles des voiliers modernes, induisant un décalage important entre les performances prédites et les performances réelles. Après un résumé détaillé des différentes méthodes existantes pour approximer le comportement hydrodynamique des carènes de voilier, ce mémoire présente une méthodologie de génération de nouvelles formulations. Cette méthode repose sur de nouveaux résultats de simulation générés par une boucle de calcul automatique. Le fonctionnement de la boucle de calcul et de ses différents composants est d’abord décrit. Depuis la génération des formes de carènes jusqu’à leur évaluation par un logiciel de simulation numérique et le stockage des résultats dans la base de donnée. La méthode de caractérisation géométrique des carènes par calcul hydrostatique est particulièrement développée, ainsi que les outils statistiques utilisés pour construire les formulations à partir de la base de données. Un accent est mis sur le processus de sélection des variables les plus pertinentes pour expliquer les phénomènes physiques mis en jeu. Deux séries systématiques sont décrites et analysées, permettant la mise en application des outils décrits précédemment. Les variables sensibles mis en évidence sont présentées, ainsi que les formules de régression permettant l’approximation des différents efforts et positionnements dynamique des carènes en fonction de leur forme et des conditions extérieures. Ces formulations sont finalement évaluées par une étude de cas sur un monocoque de course au large de type Volvo 70, permettant d’évaluer la méthodologie présentée.

Unlike most of engine powered ships, the performance of a sailing yacht cannot be predicted trough a sole hydrodynamic study. In fact, sailing yachts behaviour relies on the equilibrium between aerodynamic and hydrodynamic effects. A coupled modelling of those two elements is therefore required to characterize the yacht behaviour. A fully coupled simulation including the aerodynamic of the sails and topsides as well as the hydrodynamic of the wetted part of the hull is out of reach of current numerical tools. Velocity prediction programs remain essential. This type of program computes the equilibrium between aero and hydrodynamic forces to predict the yacht’s attitude and speed under given wind conditions. These forces are approximated using formulations, based on numerous results coming form experiments, simulations or empirical laws. The hydrodynamic models available nowadays for the design phase of the yacht are based on systematic series. Today’s hull shapes are far from the shapes used to build these series, leading to significant discrepancies between the predicted and the real performance of the yachts. After a detailed description of the existing formulations on the hydrodynamic behaviour of sailing yachts, this report presents a methodology to build new formulations. This method is based on new simulations results generated by an automated computational loop. The different tools used in the loop are described, from the generation of the hull shapes to their hydrodynamic evaluation using numerical simulation and the storage of the results in the database. A focus is made on the geometrical characterization of the hulls using hydrostatic computations. The methodology and the statistical tools used to build the formulations from the database are then described, with an emphasis on the variable selection process. Two systematic series are presented and analysed. The variables which have been selected as the most relevant to describe the physics involved are presented along with the formulations describing the forces and running attitudes of the hulls, depending on their shape and the external conditions. A benchmark of the presented formulations is finally provided. The case study of on an offshore racing monohull complying with the Volvo 70 rule is presented to evaluate the proposed methodology.