RAPPORT MINI-PROJET GIS HED2 – 2014/15 Comparaisons entre

RAPPORT MINI-PROJET GIS HED
2
– 2014/15
Comparaisons entre expérience et calcul des
ondes générées par un bateau en eaux peu
profondes
CAPLIER Clément
( )
, LINDE Florian
( , )
, BERNARD Anthony
( )
,
CALLUAUD Damien
( , )
, DAVID Laurent
( )
, OUAHSINE
Abdellatif
( )
, ROUSSEAUX Germain
( )
, SERGENT Philippe
( )
( )
Institut Pprime
Université de Poitiers, CNRS, ISAE ENSMA
Bâtiment H2, 11 Bd Marie et Pierre Curie, BP30179, 86962
Futuroscope Chasseneuil Cedex
( )
Laboratoire Roberval
Université Technologique de Compiègne, CNRS
Centre de Recherches de Royallieu, CS 60319, 60203 Compiègne
Cedex
( )
CEREMA, Direction Technique Eau Mer et Fleuves
134, rue de Beauvais, F-60280 Margny Les Compiègne
( )
Coordinateur du projet : [e-mail]

Table des matières
I Introduction ..................................................................................................................... 4
II Outils experiementaux ..................................................................................................... 4
II.1 La bassin de traction ......................................................................................................................... 4
II.2 Les carènes ........................................................................................................................................ 5
II.3 Metrologie optique de mesure de surface ......................................................................................... 6
III Outils numériques ............................................................................................................ 7
III.1 Equations du modele ......................................................................................................................... 7
III.2 Resolution numérique ....................................................................................................................... 7
III.3 Domaine modélisé et maillage .......................................................................................................... 7
III.4 Conditions aux limites ...................................................................................................................... 8
III.5 Paramètres du modèle numérique ..................................................................................................... 8
IV Résultats ........................................................................................................................... 9
IV.1 Les configurations étudiées ............................................................................................................... 9
IV.2 Présentation des phénomènes physiques ......................................................................................... 10
IV.3 Comparaison des résultats pour le maillage « standard » ............................................................... 12
IV.4 Influence de la taille du domaine de calcul ..................................................................................... 14
IV.5 Influence du maillage ...................................................................................................................... 16
IV.6 Influence du confinement ............................................................................................................... 17
IV.7 Influence de la vitesse du navire ..................................................................................................... 18
IV.8 Analyse du Froude hydraulique ...................................................................................................... 19
V Conclusion et Perspectives ............................................................................................. 19

I INTRODUCTION
Les ondes générées par les navires déstructurent les berges des fleuves, rivières et le trait de côte. Ce
phénomène d’érosion des rives est principalement lié à la hauteur de la vague générée par les navires.
Elle est causée par différents facteurs : la forme de la coque, la vitesse du navire, la distance de la rive,
la profondeur de l’eau, le clair sous quille, le sens du courant par rapport à la progression du navire.
L’intensité d’érosion des berges est liée également à la morphologie du fleuve et à la zone étudiée :
méandre, largeur, aménagement, zone rectiligne, qualité de la berge, hauteur du plan d’eau liée à la
marée. Ces phénomènes dus au batillage sont ponctuels. Cependant, les observations ont montré que
l’impact sur les berges augmente de façon exponentielle par rapport à l’augmentation de la hauteur des
vagues. L’approche couplée expérimentale et numérique proposée par ce projet a pour finalité d’apporter
une caractérisation fine des évolutions spatiales et temporelles des ondes générées par la navigation en
configuration fluviale « simplifiées » : canal droit de section rectangulaire, faible profondeur d’eau, faible
clair sous quille.
L’étude proposée repose sur une comparaison des sillages générés par des carènes « génériques » de
navires fluviaux en bassin des carènes pour des faibles hauteurs d’eau. Les résultats expérimentaux de
champs de vagues ont été obtenus à partir de mesures optiques non-intrusives donnant accès à une
définition détaillée et complète du champ de vagues générées par les navires en configuration fluviale
comprenant les problématiques intrinsèques à cette configuration (caractéristiques du champs de vagues
des réflexions sur les berges, caractéristiques de la vagues d’étraves, caractéristiques de l’onde solitaire
générée à la proue) . Cette base de données expérimentale a été comparée aux résultats de la modélisation
numérique. La modélisation repose sur la résolution des équations 3D de Navier-Stokes moyennées au
sens de Reynolds, auxquelles sont adjointes des équations du modèle de turbulence kε et des équations
du modèle VOF pour la prise en compte de la déformation de la surface libre. Tout d’abord, la sensibilité
du modèle numérique mis en place a été examinée par rapport à la nature du maillage et de son
raffinement. Pour l’optimisation des temps de calculs, un soin particulier sera porté au choix de la densité
du maillage afin de caler la taille de la grille du maillage, en fonction des caractéristiques cinématiques
des ondes générées par les bateaux. Ensuite, l’estimation de la hauteur maximale des vagues générées et
de l’abaissent du plan d’eau sera donnée en fonction du gabarit et de la vitesse du bateau, du tirant d’eau
et de la profondeur de la voie navigable.
II OUTILS EXPERIEMENTAUX
II.1 L A BASSIN DE TRACTION
Différentes campagnes de mesures ont été menées dans le bassin des carènes de l’Institut Pprime. Une
vue en perspective et une photographie de ce canal de longueur L = 20 m et de largeur W = 1, 50 m sont
données sur la Figure 1. La section transversale du canal, représentée sur la Figure 2 , est constituée
d’une section inferieure trapézoïdale, de hauteur h
inf
= 0, 20 m, et d’une section supérieure rectangulaire
de hauteur h
sup
= 1, 00 m. Le canal est équipé d’un chariot monté sur rails, sur lequel le mât de traction
de la carène est fixé. Les instruments de mesure peuvent également être embarqués sur le chariot ( Figure
2 ). Le déplacement du chariot est piloté par ordinateur et sa vitesse de déplacement, qui peut aller
jusqu’`a 2,35 m.s
−1
, ainsi que son accélération, sa décélération et sa longueur de déplacement, sont fixées
par l’utilisateur. La zone de mesure pour laquelle le sillage est stationnaire autour du navire est ainsi
comprise entre X  [5 ; 10] m pour la gamme de vitesse couverte par le chariot. Un double fond installé
dans le bassin permet de conduire des essais avec une profondeur d’eau faible dans une section
rectangulaire et de, le cas échéant, générer un co ou contre courant dans le bassin des carènes.

F IGURE 1 : Le bassin des carènes de la plateforme Hydrodynamique environnementale (PHE)
de l’Université de Poitiers, Institut Pprime
F IGURE 2 : Schéma de la section transversale du canal de traction
II.2 L ES CARENES
La navigation en milieu confiné concerne aussi bien les bateaux maritimes progressant dans les zones
portuaires, que les bateaux fluviaux navigants dans les eaux internes (fleuves, rivières, lacs, canaux).
Toutefois, ces deux types de navires sont très différents d'un point de vue architectural. En effet, les
navires fluviaux sont principalement destinés au transport de marchandises massives (produits agricoles,
matériaux de construction, produits chimiques et engrais, charbon, etc.), ils sont donc de tonnages plus
importants que les navires maritimes. La forme de la carène du navire a une très grande influence sur le
sillage qu'elle génère, notamment les amplitudes des vagues, et sur la résistance à l'avancement. De ce
fait, l'étude s'est portée sur deux carènes de navires représentatives des navires maritimes et fluviaux. Le
choix a été fait de considérer des formes de carènes de navires simplifiées, pour la comparaison des
résultats expérimentaux et numériques. Deux carènes paraboliques de forme Wigley, de section
rectangulaire mais d’exposants n différents, et de coefficient de bloc différents, pour être représentatives
des navires maritimes et fluviaux. Ces deux carènes, notées CWn2 et CWn8 en raison de la valeur de
l’exposant n, sont définies par les expressions suivantes :