Ecoulements 2D décollés autour d un mât et d une voile. B. Haddad, B. Lepine (Ecole Navale) Contact: chapin@ensica.fr

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1 Ecoulements 2D décollés autour d un mât et d une voile V.G. Chapin,, S. Jamme (ENSICA) B. Haddad, B. Lepine (Ecole Navale) Contact: chapin@ensica.fr

2 Aérodynamique du voilier Analyser & optimiser les performances du voilier Essais en soufflerie (efforts & visualisations) Simulations numériques (complémentaires des essais / analyse) Améliorer notre compréhension physique des écoulements Ecoulements visqueux, décollés, instationnaires, 3D Structures cohérentes grande échelle périodiques Evaluation de l outil CFD Hypothèses simplificatrices (voile rigide, 2D) Validation : du qualitatif au quantitatif Futur : Optimisation par couplage VPP-RANS Octobre 2003 V.G. Chapin 2

3 Aérodynamique du voilier du Près au Portant Maximiser la force propulsive, contrainte moment de chavirement Maximiser la traînée Octobre 2003 V.G. Chapin 3

4 Sections 2D : Voile / Aile Aile : profil épais Octobre 2003 Voile : profil mince + mât V.G. Chapin Bethwaite

5 Géométries mât-voile 1/ Géométries mât-voile : - CFD G2 : -CFD G3 : -Exp : mât : Naca 0044 d/c = 5% voile : dac f/c=3% mât : cylindre d/c = 5% voile : dac f/c=3% CFD G2 CFD G3 Exp mât : cylindre d/c = 0%, 5%, 8% voile : dac f/c = 3%, 8%, 12% 2/ Milgram - Wilkinson : - mât : cylindre d/c = 4%, 10% - voile : Naca 0.8 f/c = 12.5% Octobre 2003 V.G. Chapin 5

6 Paramètres de l analyse CFD Ecoulement: Re = 1.8e5, 1.4e6 Angle d incidence 0-20 deg ( allure: du près au vent de travers) Modèles Physique: Turbulent: SA, k-є, k-ω, RSM Transition: naturelle Maillages: Hybride non conforme 17k, 52k, 191k points (imbriqués) Résolution pariétale: y+ <10 Analyse: Influence maillage, schémas, modèles Interaction voile-mât Prédiction: bulbe, polaire, Grandeurs analysées: Lignes de courant, ٧ t /٧ Paroi: Cp, Cf, y+ Efforts: Cl, Cd Remarques: Schémas d ordre 2 Convergence : 3 chiffres sur Cl Octobre 2003 V.G. Chapin 6

7 Maillage hybride non conforme Taille du domaine: 60 x 60 corde GV Grande flexibilité de maillage des régions critiques Extension interaction GV-foc, Octobre 2003 V.G. Chapin 7

8 Résolution pariétale i=0 Maillages G2 : 17k : wall y+ < 2 51k : wall y+ < 1 191k : wall y+ < 0.5 Maillages G3 : 26k : wall y+ < 4 83k : wall y+ < 2 297k : wall y+ < 1 Modèle de turbulence : SA faible Reynolds Octobre 2003 V.G. Chapin 8

9 Bulbe et décollement CFD G2 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Cl Cl = f(alpha) Lignes de courant 1 2 0,6 0,4 0,2 0,0 Fluent 191k Theory Sub d/c=5% alpha Fig n Octobre 2003 V.G. Chapin 9

10 Maillage: G2 17k, i=8 Influence maillage : bulbe Maillage: G2 191k, i=8 Octobre 2003 V.G. Chapin 10

11 Maillage 17k-52k 52k-191k Influence maillage : Cp G2 i=6 i=8 Cp=f(x) Cp=f(x) 17k 191k 17k 52k Octobre 2003 V.G. Chapin 11

12 Influence maillage : Cl G2, Cd G2 Convergence maillage: pas atteinte Traînée sous-estimée par Fluent mais: Exp: mât cyl, Num: mât Naca 0044 Cd 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Cd = f(alpha) Fluent 17k Fluent 52k Fluent 191k Sub d/c=5% 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 alpha 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Cl Cl = f(alpha) Fluent 17k Fluent 52k Fluent 191k Theory Sub d/c=5% alpha Octobre 2003 V.G. Chapin 12

13 Traînée de profil du mât Cd = f(alpha) Traînée cylindre seul Traînée profil seul 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Fluent 191k Sub d/c=5% Octobre 2003 V.G. Chapin 13

14 Prédiction polaire G3 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Cl = f(alpha) mât d/c=5%, Re=1.8e5 Sub d/c=5% Fluent 26k Fluent 83k ,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Cd = f(alpha) mât d/c=5%, Re=1.8e5 Sub d/c=5% Fluent 26k Fluent 83k Fluent 297k Fluent 297k Essais «2D» Calculs 2D Indépendance au maillage Octobre 2003 V.G. Chapin 14

15 Modèle de turbulence / G3 Spalart-Allmaras k-ε RNG k-ω Isolignes : ν t /ν Octobre 2003 V.G. Chapin 15

16 Modèle de turbulence / G3 Spalart-Allmaras Couleurs : ν t /ν k-ε RNG Choix : modèle de Spalart-Allmaras Capture décollement laminaire sur le mât Capture recollement turbulent sur la voile Octobre 2003 V.G. Chapin 16

17 Wilkinson PhD thesis Mesures : Veine Southampton 2.13x1.52m Pression pariétale Cp = f(x/c) Profils de couche limite extrados 108 cas : sonde robotisée!!! Choix 2 cas : f/c = 12.5% Wi54 (milieu) d/c = 10% Wi65 (pied) d/c = 4% Exp. : Wilkinson 1989 Octobre 2003 V.G. Chapin 17

18 Wilkinson PhD thesis Mesures : Veine Southampton 2.13x1.52m Pression pariétale Cp = f(x/c) Profils de couche limite extrados 108 cas : sonde robotisée!!! Choix 2 cas : f/c = 12.5% Wi54 (milieu) Wi65 (pied) d/c = 10% d/c = 4% Exp. : Wilkinson 1989 Octobre 2003 V.G. Chapin 18

19 Prédiction bulbes & décollements Wi 65 : d/c = 4%, i=5, Re = 1.4e6 Wi 54 : d/c = 10%, i=5, Re = 1.4e6 Schéma déduit des profils de vitesse expérimentaux (Wilkinson) Octobre 2003 V.G. Chapin 19

20 Prédiction Cp = f(x/c) Wi 65 : f/c = 12.5%, d/c = 4% Wi 54 : f/c = 12.5%, d/c = 10% -Cp = f(x/c) -Cp = f(x/c) 3 2 Wi 65 mât intrados 3 2 Wi 54 mât intrados extrados extrados ,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1, ,2 0 0,2 0,4 0,6 0, i=5, Re = 1.4e6 i=5, Re = 1.4e6 Octobre 2003 V.G. Chapin 20

21 Recollement bulbe = f(ordre schéma) O1 O2 Exp Point recollement extrados x r /c c = 5% 8% 13% 3 2 -Cp = f(x/c) mât O2 int. O2 ext. O2 mât O1 int. O1 ext. O1 Wi 65 O ,10 0,10 0,30 0,50 0,70 0,90 O Octobre 2003 V.G. Chapin 21

22 Recollement bulbe = f(i) x r /c = f(i) avec modèle Spalart-Allmaras Wilkinson cas n 62, 65, 68, 71 : Exp. Num. O2 i = 2.5 x r / c = 12% x r / c =6.5% i = 5.0 x r / c = 13% x r / c =8.5% i = 7.5 x r / c = 16% x r / c =11% i = 10.0 x r / c = 27% x r / c =15% x r /c = f(i) Exp Num Octobre 2003 V.G. Chapin 22

23 Topologie des décollements i=2.5, Cd min i=i opt = 5, f max i=7.5 i=10, Cl max i=12.5, Cd max Octobre 2003 V.G. Chapin 23

24 Conclusions Modèle numérique : - Indépendance au maillage : accessible si maillage adapté à la physique (critère visqueux (y+<10) et critére tangentiel (zones de gradient)) - Approche hybride non conforme : extension possible à l interaction GVfoc ou double gréement (Hydraplaneur Y. Parlier) - Modèle de turbulence : SA seul modèle à capturer le décollement laminaire sur le mât et le recollement turbulent sur la voile Physique de l écoulement : - Capture décollement laminaire mât : oui - Capture recollement turbulent voile : oui - Capture décollement bord de fuite extrados : oui - Capture bulbes recirculation extrados/intrados : oui - Longueur bulbe extrados sous-estimé - Variation longueur bulbe avec incidence : oui - Eclatement bulbe extrados à Cl max : oui - Cl max sous-estimé Octobre 2003 V.G. Chapin 24

25 Perspectives Simulations RANS / Applications : Un outil à maturité pour analyser et optimiser l él écoulement résultant r de l interaction mât-voile (bulbe de décollement, d recollement turbulent et décollement de bord de fuite) et compléter les résultats r d essais d en soufflerie Extension à l interaction de 2 voiles Extension au 3D avec gradient de vent et vrillage voile (Tcpu( Tcpu) Extension à un plan de voilure 3D en tanguage Couplage fluide/structure (déformation temps réel r de la voile) Simulations RANS / Améliorations : Schéma d ordre d élevé URANS, DES, (longueur bulbe extrados) Modélisation de la transition Octobre 2003 V.G. Chapin 25

26 Perspectives Optimisation plans de voilure complexes : Paramètres : cambrures, angles d ouverture, d angles différentiels, Objectif : max (propulsion), contrainte (moment) Mieux comprendre les bons réglages r de voile L océan Atlantique en 6 jours 17 heures 52 minutes et 39 secondes Vitesse = 18 nœuds n et demain?? Octobre 2003 V.G. Chapin 26