Impact des surfaces libres sur l'énergie cinétique turbulente dans les navires

L'Énergie cinétique turbulente (ECT) est un terme un peu technique pour mesurer les charges instables que les navires rencontrent en se déplaçant dans l'eau. Cette mesure est importante pour concevoir des trucs comme les hélices et des dispositifs qui aident à économiser de l'énergie. La plupart du temps, on fait des Simulations en utilisant un modèle simplifié qui suppose la symétrie pour gagner du temps et des efforts. Mais dans la vraie vie, les navires n'ont pas ce luxe. Ils doivent faire face à une Surface libre d'eau, ce qui peut tout changer.

Dans une étude de cas sur un gros bateau connu sous le nom de Japan Bulk Carrier, des simulations ont été faites en tenant compte ou non de la surface libre. Ces simulations se sont intéressées à l'ECT dans les cœurs de vortex derrière le navire. On s'est aussi concentré sur le fait de définir le centre de ces vortex, car avoir ça juste est crucial pour comprendre les motifs d'écoulement.

Fait intéressant, lorsque des simulations avec une maille plus fine ont été effectuées, elles ont révélé une tendance inattendue dans l'ECT, poussant à une enquête plus approfondie pour exclure tout problème lié à la méthode en utilisant un modèle hybride. En gros, on a trouvé que déplacer les positions des cœurs de vortex modifiait les résultats de manière significative, soulevant des questions sur la fiabilité des positions centrales expérimentales.

Pour améliorer la comparaison des résultats, une position fixe pour les cœurs de vortex a été utilisée dans tous les cas. Cette modification a révélé une histoire différente. Les mailles moyennes ont ensuite été ajustées, et une boîte de raffinement a été étendue plus en avant, conduisant à des résultats qui correspondaient mieux aux mailles fines. Il s'est avéré que, lorsqu'on regarde l'ECT dans son ensemble, il n'y avait pas beaucoup de différence entre les simulations qui incluaient la surface libre et celles qui ne l'incluaient pas. Cependant, la structure du navire était toujours influencée par la surface de l'eau, ce qui changeait les caractéristiques locales.

Comme tout le monde s'inquiétait davantage de l'efficacité énergétique pour des raisons écologiques, il y a eu une forte pression pour développer des optimisations et des dispositifs pour réduire les besoins énergétiques des grands navires. De nombreuses études ont montré que les améliorations sont souvent marginales, soulevant des débats sur la possibilité que les résultats de simulation puissent vraiment conduire à des améliorations dans le monde réel. Beaucoup de modèles plus simples ignoraient complètement la surface libre, utilisant plutôt un miroir plat. Mais comme même les navires lents créent encore des ondulations derrière eux, il est clair qu'une surface libre impacte l'écoulement autour d'eux.

Les nouveaux outils logiciels peuvent gérer les surfaces libres par différents moyens. La recherche sur les corps sous-marins près de la surface a montré des changements dans le motif d'écoulement et la traînée, même à des vitesses réduites. Pour les plus grands navires, des différences de vitesses d'écoulement ont été notées, mais elles n'impactaient généralement pas des facteurs clés comme la résistance. Dans des situations plus extrêmes, comme dans les vagues, l'impact sur les dispositifs d'économie d'énergie (DEE) était suffisamment significatif pour que la perte de poussée soit plus grande avec les DEE qu'en leur absence.

L'énergie cinétique turbulente reste une mesure importante, car elle affecte non seulement la poussée mais aussi l'intégrité structurelle. L'objectif principal de cette étude était de voir comment la surface libre influençait l'ECT autour du sillage du Japan Bulk Carrier. Ils espéraient recueillir des informations pour comprendre à quel point l'interface compte lorsqu'on analyse des résultats qui pourraient être affectés par des charges changeantes.

Le papier a commencé par des explications sur la motivation et les connaissances existantes avant de plonger dans le contexte théorique, les configurations de maillage et les spécifications de cas. La section des résultats a présenté quelques données de vérification de base, suivies d'une discussion sur la convergence du maillage et les résultats préliminaires. D'autres simulations et analyses ont été menées à cause de certaines incohérences qui sont apparues, et celles-ci ont été explorées en profondeur dans la discussion.

Les charges instables agissant sur les hélices dans le sillage d'un navire sont généralement causées par trois choses : des changements de vitesse dus à des variations de la vitesse du navire ou des vagues environnantes, la non-uniformité du sillage et une turbulence forte, en particulier dans les plus grands navires comme les pétroliers et les transporteurs de vrac. Bien que le premier point n'ait pas été examiné, le second pouvait être couvert en utilisant des techniques généralement acceptées, tandis que l'analyse du troisième nécessitait d'examiner des structures de turbulence en utilisant des méthodes plus avancées.

Un atelier précédent a souligné que les niveaux d'ECT dans diverses sections derrière le Japan Bulk Carrier différaient considérablement lorsqu'ils étaient calculés avec différentes techniques. Des études antérieures ont noté que les fluctuations de poussée des hélices identifiées dans URANS (une méthode de simulation plus traditionnelle) ont tendance à être régulières et faibles. En comparaison, les fluctuations de poussée identifiées par des méthodes hybrides étaient irrégulières avec des pics plus élevés. Cela a souligné la nécessité d'utiliser des méthodes hybrides pour capturer avec précision la turbulence dans le sillage.

Fait intéressant, tandis qu'une étude a trouvé que la surface libre avait un certain effet, une autre étude n'a trouvé aucune relation significative. Cependant, il est crucial d'analyser ces résultats de près. Les expériences précédemment réalisées sur le Japan Bulk Carrier ont été effectuées à un faible nombre de Froude, permettant de supposer la symétrie dans la modélisation. Cependant, seules quelques simulations ont examiné comment la surface libre influençait l'écoulement. Aucune d'entre elles n'a été réalisée en utilisant des méthodes avancées de résolution de turbulence.

Dans des recherches antérieures, des tentatives ont été faites pour mesurer l'influence des surfaces libres sur l'ECT, principalement à travers des expériences. Un enseignement de base est qu'il existe des différences dans la distribution de pression qui se produisent en raison du navire en mouvement créant des vagues et altérant la surface. Ce changement essentiel affecte les motifs de pression et est particulièrement évident lorsqu'on considère de petits mouvements.

Un chercheur a mené des expériences avec des plaques planes et des surfaces non perturbées pour analyser le sillage avec la vélocimétrie d'image de particules. Il a montré que des flux secondaires émergeaient des conditions aux limites mixtes dues à la surface libre. D'autres ont démontré que la turbulence causée par les surfaces libres était liée à la rupture des vagues, et d'autres études ont montré que même de courtes vagues abruptes en laboratoire peuvent résulter en turbulence due au mouvement de l'eau.

D'autres études ont montré que les surfaces libres peuvent altérer les champs de vitesse, comme trouvé dans des simulations CFD. Les résultats des simulations utilisant la méthode volume de fluide étaient plus en accord avec les résultats expérimentaux réels. L'ECT était plus élevée à cause de la surface libre, ralentissant l'écoulement, même à des vitesses inférieures. Pourtant, ces simulations se reposaient principalement sur des méthodes traditionnelles, ce qui a conduit à des aperçus limités sur les caractéristiques d'écoulement détaillées.

Une étude récente a tenté de résoudre le problème mais n'a utilisé qu'une seule taille de maillage. Il a été reconnu que des nombres de Courant plus petits et un temps moyen plus long étaient préférables lors de l'utilisation de méthodes de résolution d'échelle, car les choix initiaux ont pu mener à une identification ambiguë des cœurs de vortex. La nécessité de différentes tailles de maillage n'était pas reconnue à l'époque, et les différences dans les résultats provenaient des ajustements ultérieurs.

Pour les navires, un écoulement pleinement turbulent est supposé au-dessus d'une certaine vitesse. Cependant, la vitesse de conception habituelle pour les navires correspond généralement à une plage où la turbulence n'est pas entièrement développée. Un modèle hybride est optimal lorsque des séparations significatives dans la couche limite sont présentes. Étant donné que la turbulence est un comportement fluctuant rapidement, les codes CFD transitoires deviennent cruciaux pour décrire l'écoulement avec précision.

Les simulations ont utilisé un modèle de turbulence spécifique pour s'assurer que l'ECT résolu s'aligne avec les résultats attendus. Il était essentiel d'implémenter une fonction de mélange pour le modèle hybride, permettant une transition plus douce entre les méthodes de modélisation. Les maillages créés ont été validés par des benchmarks précédents, et des simulations ont été exécutées avec différentes méthodes pour analyser la surface libre.

Différentes méthodes existent pour modéliser la surface libre dans la dynamique des fluides computationnelle. L'étude a principalement utilisé deux approches du cadre OpenFOAM. L'une était le VOF algébrique, tandis que l'autre était le VOF géométrique, permettant des interactions plus précises à la surface de l'eau. Ces simulations ont été comparées avec les résultats de recherches antérieures pour garantir la cohérence et la fiabilité.

Une partie importante de l'étude a impliqué l'extraction manuelle d'un secteur autour du cœur de vortex pour analyser l'ECT, en recherchant la vorticité axiale maximale. Les sorties collectées ont ensuite été traitées pour visualiser l'ECT et identifier avec précision la position des cœurs de vortex. Ces analyses visaient à évaluer l'intensité de la turbulence liée aux vortex et à évaluer les caractéristiques d'écoulement capturées dans les simulations.

Différents maillages ont été créés pour assurer un espacement correct de la grille pour des résultats précis, avec une longueur de référence basée sur les dimensions du navire. L'utilisation d'une approche hybride a permis d'utiliser efficacement des fonctions de mur. Les mailles fines devaient être correctement résolues, en particulier autour de la ligne de flottaison, pour capturer efficacement l'interface.

Les conditions aux limites ont été définies pour simuler des comportements fluides réalistes, et des évaluations de performance ont été menées en utilisant des ressources informatiques haute performance pour exécuter les simulations. Les résultats ont été analysés par différentes méthodes, en examinant les distributions d'ECT et en s'assurant qu'elles s'alignent étroitement avec les données expérimentales.

Une observation principale était que les valeurs d'ECT fluctuaient considérablement entre les différentes tailles de maillage et méthodes utilisées. Bien que les études de convergence de maillage soient essentielles, elles peuvent devenir compliquées avec des méthodes hybrides. Bien que certaines divergences aient été notées, il est crucial de comprendre que ces différences pourraient provenir de la méthode elle-même ou des tailles de maillage utilisées.

Lorsque les résultats ont été présentés selon des directives établies, il est devenu clair que des variations dans l'ECT étaient évidentes, indiquant la complexité des motifs d'écoulement. La méthodologie a également établi un centre de vortex fixe pour de futures observations. Cette méthode a aidé à standardiser les comparaisons et a suggéré un meilleur alignement des résultats.

En examinant les tendances globales, il a été remarqué que les valeurs intégrales d'ECT ne mettaient pas en évidence de différences significatives entre les simulations à phase unique et à deux phases. Cependant, les distributions spatiales ont montré certaines variations, suggérant que des facteurs comme la taille de maillage peuvent jouer un rôle crucial dans certaines conditions.

Après avoir finalisé l'analyse des positions des cœurs de vortex et ajusté les configurations de grille en conséquence, les distributions d'ECT ont commencé à converger de manière plus fiable. Malgré les préoccupations antérieures concernant le maillage fin, d'autres raffinements ont indiqué qu'il pourrait fournir des aperçus plus proches des résultats expérimentaux.

En fin de compte, même si la surface libre avait peu d'impact sur les mesures d'ECT, la manière dont elle présentait différentes caractéristiques spatiales est restée un point focal. Lorsqu'on considère des dispositifs qui dépendent des effets de l'écoulement du fluide, la surface libre pourrait modifier considérablement les distributions de pression et nécessite une attention particulière dans les simulations pour garantir des conceptions précises.

En conclusion, étudier l'influence des surfaces libres lors de la mesure de l'énergie cinétique turbulente reste une tâche complexe mais essentielle pour la conception de navires. Bien que les résultats indiquent qu'il n'y a pas de différences significatives dans l'ECT totale, la distribution spatiale variable souligne l'importance des simulations détaillées. À l'avenir, il est essentiel de prendre ces résultats en compte et de continuer à explorer comment les surfaces libres affectent différents designs de navires, surtout dans des environnements plus difficiles comme les eaux peu profondes ou à différentes vitesses.

D'autres recherches porteront sur comment ces résultats peuvent s'appliquer à différents types et conditions de navires, menant à une meilleure compréhension de la relation entre l'ECT, les surfaces libres et l'efficacité énergétique globale. Dans la quête de pratiques maritimes plus écologiques et efficaces, chaque petit geste compte.