Investigation of the dynamic motions and operability of a ship towed by kite

par Nedeleg Bigi

Thèse de doctorat en Mécanique

Soutenue le 15-12-2017

à Brest , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Evaluation des limites d’utilisation des navires tractés par kite par l’étude des mouvements de tenue à la mer et de manoeuvrabilité


  • Résumé

    Afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre et le coût du transport maritime, l'utilisation des cerfs-volants comme système de propulsion auxiliaire des navires est prometteuse. Pour estimer les performances et l’opérabilité d’un navire tracté par cerf-volant, une modélisation dynamique du système est alors mise en oeuvre. Une modélisation analytique de cerf-volant est utilisée. Ce modèle néglige la masse du cerf-volant et suppose que les lignes sont droites et indéformables. Ces hypothèses conduisent à un modèle cinématique dépendant du coefficient de portance et de la finesse aérodynamique. Une évolution linéaire des coefficients aérodynamiques en fonction de la courbure de la trajectoire de vol est proposée. Par ailleurs, en développant un modèle quasi analytique de ligne, il est montré qu’à partir de 2 m.s-1 de vent relatif que l’hypothèse de ligne droite est raisonnable. En se basant sur un modèle de ligne, un critère analytique de vitesse de vent minimum permettant un vol quasi-statique est présenté. Dans le but de résoudre l’ensemble des termes d’interaction entre le cerf-volant et le navire, un modèle linéarisé de tenue à la mer temporelle est développé. Le produit de convolution de la réponse impulsionnelle du navire est calculé avec des systèmes d’états. Cependant comme celle-ci représente mal les mouvements horizontaux des navires, le modèle développé est alors couplé à un modèle de manoeuvrabilité. Pour étudier les interactions entre le cerf-volant et le navire un couplage monolithique et un couplage dissocié sont comparés. Le couplage dissocié néglige l’influence des mouvements du navire sur le vol du cerf-volant. En cas de mer calme, les résultats obtenus par les deux types de couplage sont très proches. En cas de houle régulière les mouvements du navire sont principalement causés par la houle. Le couplage monolithique montre qu’un réseau de sous-harmoniques basse fréquence apparait alors dans le spectre d’excitation du navire. La fréquence fondamentale des sous-harmoniques est donnée par la différence entre la fréquence de vague et la fréquence de l’harmonique la plus proche de l’excitation du kite. Quand cette différence est suffisamment petite, un phénomène d’accrochage apparait. Ce phénomène est bénéfique pour le cerf-volant et le navire quand le décalage des harmoniques d'excitation correspond à une augmentation. Par ailleurs, une étude de la stabilité de route montre qu'il est nécessaire de contrôler activement le safran.


  • Résumé

    In order to reduce greenhouse gas emissions and shipping costs, the use of kites as an auxiliary propulsion device for ships is promising. In order to estimate the performance and the operability of a kite-towed vessel, a dynamic modeling of the system is implemented. A classical kite modeling is used. This model neglects the mass of the kite and assumes straight and inelastic tethers. These assumptions lead to a kinematic model depending on the lift coefficient and the aerodynamic lift to drag ration angle. A linear evolution of these aerodynamic coefficients as a function of the curvature of the flight path is proposed. In addition, by developing a quasi-analytical line model, it is shown that from 2 m.s-1 of relative wind the straight tether assumption is reasonable. Based on the tether model, an analytical criterion assessing the minimum wind speed to enable a quasi-static kite flight is developed. To solve all the interaction terms between the kite and the ship, a time domain seakeeping model based on the linearized ship equation of motion assuming a potential flow is developed. The convolution product of the impulse response of the ship is computed with state-space systems. However, since horizontal ship motions are not well represented by such theories, a coupling with a maneuvering model is presented.Comparisons to experimental data tests show good agreements. To study the interactions between the kite and the ship, a monolithic coupling and a dissociated coupling are compared. The dissociated coupling neglects the influence of ship motions on the kite flight. In a calm water case, results obtained by the two types of coupling are very close. In regular waves, ship motions are dominated by the wave influence. Thus, with the monolithic coupling, a network of low frequency subharmonic appears in the kite excitation spectrum. The fundamental frequency of the subharmonic is given by the difference between the wave frequency and the frequency of the nearest kite excitation harmonic. When this difference is small enough, a lock-in phenomenon appears. This phenomenon is a benefit for the kite and the ship when the shift of the excitation harmonics corresponds to an increase. Furthermore, a course keeping stability study shows that the rudder needs to be actively controlled.


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