Modélisation du navire
Pourquoi modéliser un navire ?
La modélisation du navire constitue un préalable indispensable au routage météorologique. En effet, il est absolument nécessaire de prévoir les conditions de fonctionnement du navire en fonction des conditions environnementales.
La modélisation du navire permet en outre de :
Prévoir le comportement du navire avec précision de manière à optimiser les économies réalisées grâce à la propulsion assistée par le vent, et donc valider ou non, le choix de tel ou tel système lors de la phase de conception
Optimiser les réglages du système éolien en comparant les performances réelles du navires à celles de son jumeau numérique
Exemple : Estimer les émissions
L'ACV [1]d'un navire de charge permet de voir que la majorité des émissions proviennent de l'utilisation et non de la construction. Il est donc primordial de pouvoir prédire, en amont de sa construction, les performances d'un navire propulsé par le vent afin d'estimer les gains potentiels sur les émissions au cours de son exploitation puis de les comparer à celles d'un navire refité par exemple.
Comment modéliser un navire ?
Il est possible de modéliser un navire en s'appuyant sur
Un prototype instrumenté
Cette dernière solution a l'intérêt d'être beaucoup plus souple lors de la phase de conception bien que cela demande des recherches relativement importantes afin d'avoir des résultats probants.
Rappel : Degrés de liberté d'un navire
L'équipement d'un navire avec un propulseur éolien auxiliaire permet de réduire la poussée générée par l'hélice mais introduit également un ensemble de forces et de moments dont il faudra tenir compte afin d'évaluer au mieux les performances.
Il est donc essentiel d'effectuer une analyse à minima à quatre degrés de liberté (4 DOF[3]) du navire, c'est-à-dire de prévoir :
Le moment de lacet
Le moment de gîte
La force propulsive
La dérive du navire
Comment évaluer les performances du modèle ?
En soumettant le modèle à des conditions de mer et de vent réelles dans le cas du prototype, ou numériques grâce à la CFD[5] dans le cas du jumeau numérique, il est possible de voir sa réaction et d'évaluer le niveau de performances atteint grâce à certains indicateurs comme :
La vitesse atteinte par le navire
Les gains réalisés sur la consommation
La valeur de la force propulsive générée par le système éolien
L'augmentation de résistance induite par le système éolien
L'angle de gîte (efforts sur la cargaison, le gréement)
L'angle du gouvernail (manœuvrabilité)
Résultats= graphiques polaires
Les résultats de la modélisation des navires sont généralement présentés sous la forme d'un graphique polaire.
Les indicateurs décrivant les performances du navire y sont tracés en fonction de la vitesse et de la direction du vent.
Polaire de vitesse du navire= prédiction de la vitesse
On représente habituellement la réponse d'un navire avec une propulsion exclusivement éolienne par un réseau de courbes polaires, qui en donne la vitesse par incrément de vitesse de vent réel et ce pour toutes les orientations.
De telles courbes peuvent être établies par mesure in-situ mais également de manière prévisionnelle grâce à des programmes informatiques appelés VPP[6]qui, après que l'on y a introduit les principales caractéristiques du navire, calcule par itération les valeurs des forces aérodynamiques et hydrodynamiques à l'équilibre.
Remarque : Angle du gain optimum dans le vent
La projection du vecteur vitesse du navire sur l'axe du vent correspond à l'angle du gain optimum dans le vent ou VMG (Velocity Made Good).
On voit que la VMG est ici égale à 5 noeuds en considérant un vent réel de 25 noeuds.
Polaire de consommation du navire= prédiction de la consommation
On représente la réponse d'un navire avec une propulsion hybride par un réseau de courbes polaires, qui en donne le gain sur la consommation par incrément de vitesse de vent réel et ce pour toutes les orientations.
De telles courbes peuvent être établies de manière prévisionnelle grâce à des programmes informatiques appelés PPP[9].
En abscisse nous voyons les vitesse de vent (TWS), matérialisés par des cercles concentriques
La couronne extérieure indique l'orientation du vent par rapport au navire (TWA)
Les économies de combustibles (en kg/ heure) sont identifiées par un code couleur
Remarque : Utilisation du jumeau numérique en navigation
En opération, divers capteurs produisent des données sur différents aspects des performances du navire, comme la vitesse, la consommation, les efforts structuraux, etc.
Ces données sont ensuite appliquées au jumeau numérique.
Une fois renseigné avec ces données, le modèle virtuel peut être utilisé pour effectuer des simulations, étudier des problèmes de performance et générer des améliorations possibles qui peuvent ensuite être appliquées au navire.