Aérodynamique grand voile - mât

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1 Aérodynamique grand voile - mât V.G. Chapin, S. Jamme, R. Neyhousser ENSICA, Toulouse 2 nd Workshop Ecole Navale

2 Plan Ressources ENSICA Des souffleries: S4, SDV, Sub Savoir-faire expérimental Nombreuses études d aéro-hydrodynamique navale Etude gréement double - Hydraplaneur Y. PARLIER Savoir-faire CFD Calculs 2D RANS validés : mât-voile Aérodynamique du couple mât-voile Vers une meilleure connaissance (forme force) 2 nd Workshop Ecole Navale

3 Moyens expérimentaux Soufflerie S4: une installation industrielle Puissance ventilateurs : 270kW (3x90 kw) Vitesse vent < 42 m/s Veine elliptique 3m x 2m, L=2.1m Souffleries subsoniques: 4 veines (2 ouvertes et 2 fermées) Vitesse vent < 35 m/s Veine rectangulaire 0.45x0.45m, L=0.7m Soufflerie pressurisée SDV: Puissance : 67kW Vitesse vent < 85m/s Reynolds (corde =0.2m, V=60m/s, p=4 bars) Veine rectangulaire 0.5x0.35m, L=1m Mesures d efforts (coefficients aérodynamiques) Visualisations pariétale, fumée, fils de laine, 2 nd Workshop Ecole Navale

4 Soufflerie S4 S4: Montage 3 mâts S4: Montage 1 mât 2 nd Workshop Ecole Navale

5 Souffleries Subsoniques Sub: montage 3 mâts 2 nd Workshop Ecole Navale

6 Soufflerie SDV Campagne America Cup 1999 Défi Français Profils de quille SDV: montage 1 mât C = 0.20 m Re = nd Workshop Ecole Navale

7 Savoir-faire expérimental Soufflerie S4 : une installation industrielle Une longue pratique des configurations navales 2 nd Workshop Ecole Navale

8 Observations expérimentales F. Bethwaite : High Performance Sailing même grand-voiles même focs mêmes incidences Mât circulaire Mât aile Aérodynamique: science des catastrophes!!! 2 nd Workshop Ecole Navale

9 Savoir-faire CFD Mailleur : ICEM-CFD Solveur : Fluent 6.1 Post-processeur : Fluent, MATLAB, TECPLOT, Maillage hybride non-conforme Simulation RANS d un écoulement décollé autour d un mât et d une voile 2 nd Workshop Ecole Navale

10 Analyse & Design Aérodynamique Intégrée Exp. : Mesures des efforts et moments, visualisations, Num. : Toutes grandeurs physiques en tout point du volume! Expérience Vision globale Meilleure compréhension Optimisation aérodynamique plus précise plus rapide Calculs moins coûteuse 2 nd Workshop Ecole Navale

11 Aérodynamique grand voile - mât 2 nd Workshop Ecole Navale

12 Motivation Objectif : aérodynamique d une GV Approche 1 : néglige la présence du mât au bda de la GV Approche 2 : hypothèse de superposition Intuition : le mât change radicalement l écoulement sur la GV Au portant Mais aussi au près Travaux existants : Marchaj 1976, Milgram 1978, Wilkinson 1984, Bethwaite 1993, Caponnetto 1999, Prédiction possible? Avec quelle méthode? Soufflerie nécessaire? 2 nd Workshop Ecole Navale

13 Petit retour historique Marchaj 1976: Effet du mât sur la polaire d une GV (a,b) : Augmentation de traînée (a,b) : Diminution de portance 40% (b,d) : Influence forte du diamètre mât (c,d) : Sillage intrados moins pénalisant que sillage extrados 100% 2 nd Workshop Ecole Navale

14 Motivation Essais en soufflerie de nombreux profils de mât Mesures des cambrures des vainqueurs des régates de «Skiff» Mât cylindrique : f/c optimal = 13% Mât profilé : f/c optimal = 10% (8+2) Conditions de vent léger à médium F. Bethwaite 2 nd Workshop Ecole Navale

15 Motivation Jones & Korpus 2001 Calculs RANS 3D: GV+mât+foc (IACC) Calculs Panel 3D: f/c augmente finesse augmente Effet cambrure GV: décollements finesse diminue? Force propulsive: résultats opposés entre approches visqueuse et non-visqueuse!!! Panel : f/c 1 > f/c 2 RANS : f/c 2 > f/c 1 2 nd Workshop Ecole Navale

16 Paramètres de dessin Paramètres aérodynamique Voile: Allongement AR Cambrure max f/c Position cambrure max x f /c Angles entrée / sortie Répartition horizontale de cambrure Distribution verticale de cambrure Vrillage Angle bôme, point de tir foc d Mât: d/c, profil, orientation, f x f c Rond de chute : un effet caché du ratio d/c 2 nd Workshop Ecole Navale

17 Première analyse Quantifier les conséquences des effets visqueux: Décollements Bulbes de recirculation Sillages, couche de mélange Conséquences sur le choix de f/c & d/c? Cambrure optimale? Cambrure f/c qui maximise la finesse f=cz/cx (Cr/Ch maximum) Cambrure f/c qui maximise la force propulsive (Cr maximum) Importance du mât? Influence de d/c sur les performances aérodynamique? La cambrure optimale si elle existe dépend t elle de d/c? Approche: Exp.: essais en soufflerie (mesures & visualisations) Num.: prédiction numérique (RANS) 2 nd Workshop Ecole Navale

18 Visualisations f/c = 12.5% Mât p d/c = 5% Incidence faible écoulement avec décollement de bdf 2 nd Workshop Ecole Navale

19 Visualisations f/c = 12.5% Mât p d/c = 5% Incidence modérée écoulement attaché avec bulbe de recirculation 2 nd Workshop Ecole Navale

20 Visualisations f/c = 12.5% Mât p d/c = 5% Incidence de décrochage décollement de bda 2 nd Workshop Ecole Navale

21 Visualisations f/c = 12.5% Mât e d/c = 5% f/c = 12.5% Mât p d/c = 5% Incidence de décrochage 2 nd Workshop Ecole Navale

22 Visualisations f/c = 12.5% Mât c d/c = 5% Incidence de décrochage décollement de bda 2 nd Workshop Ecole Navale

23 Exp: Performances Essais Sub : B. Haddad, B. Lepine (EN 2003) 3% 8% 8*% 12% % 8mm 8% 8mm 8*% 8mm 12% 8mm % 12mm 8% 12mm 8*% 12mm 12% 12mm f 15 f 15 f Cz Cz Cz Cambrure optimale : oui, f/c optimum de l ordre de 8% à 12% suivant d/c Dépendance de l optimum à d/c : oui, f/c optimum augmente avec d/c Sur eau plate où la puissance n'est pas nécessaire, on optera pour des profils fins donnant un meilleur cap B. Cheret 2 nd Workshop Ecole Navale

24 Stratégie maillage Maillages hybrides non conformes Grande flexibilité de maillage des régions critiques Extension interaction GV-foc, 2 nd Workshop Ecole Navale

25 Comparaison CFD / Exp Essais Wilkinson (1984) / Validations 2 nd Workshop Ecole Navale

26 Comparaisons CFD / Exp 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 nd Workshop Ecole Navale

27 Bulbes & décollements Simulations RANS: d/c = 4%, i=5, Re = 1.4e6 Visualisations F. Bethwaite Simulations RANS: d/c = 10% i=5, Re = 1.4e6 Visualisations ENSICA Schéma déduit des sondages expérimentaux (Wilkinson) Bulbe Déc. bdf 2 nd Workshop Ecole Navale

28 Bulbes & décollements i=2.5 : Cd min i= 5 = i opt : f max i=7.5 i=10 : Cl max i=12.5 : Cd max 2 nd Workshop Ecole Navale

29 Distribution de pression -Cp = f(x/c) 3 2 Wi 65 mât intrados extrados 1 0-0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1, Simulations RANS ENSICA 2003 Exp. : Wilkinson nd Workshop Ecole Navale

30 Mât f= f(cl), camber ratio f/c=8% Exp d/c=0% Exp d/c=5.3% Exp d/c=8% ,5 1 1,5 2 Influence de d/c : Significative sur la traînée Mais aussi sur la portance : d/c=5% : +76% (au point de finesse max) : -13% (au point de portance max) 2 nd Workshop Ecole Navale

31 Petit retour historique Marchaj 1976 : montre l importance de l interaction GV / mât d/c Cl max f AR Milgram 1971: prédiction des coefficients aérodynamiques (méthode de surface portante non-visqueuse) d/c = 3% d/c = 3.9% d/c = 2.8% AR Cl f nd Workshop Ecole Navale

32 Conclusions (1) Approche intégrée: Calculs Essais Comparaisons détaillées Exp / CFD Capitalisation d un savoir-faire expérimental (10 années) Capitalisation d un savoir-faire CFD (10 années) Connaissances en terme de capacité de prédiction Connaissance de l aérodynamique des profils minces cambrés avec et sans mât Différente des profils «épais, peu cambrés, rigides» Peu d études publiées 3D : GV+mât : Cd frottement + Cd pression # Cd induite 2 nd Workshop Ecole Navale

33 Conclusions (2) Analyse couplée GV-mât : f/c d/c Intérêt du calcul visqueux RANS Analyse & Design des gréements Choix : cambrure, diamètre et forme mât, Pondérer l importance relative des paramètres de design Prédiction de la cambrure optimale (Exp / CFD) Comprendre comment agissent les paramètres qui influencent les bulbes & décollements Modèle «aéro avancée» / VPP Aérodynamique couplée GV-mât (modèle non-linéaire) Inconvénient : coût de calcul élevé 2 nd Workshop Ecole Navale