Origines du phénomène
D'où proviennent ces phénomènes d'interactions ?
Dès lors qu'un solide présente une surface non nulle dans un écoulement d'air, il interagira avec les autres solides à proximité du fait des variations que sa présence induit sur les lignes de courant.
L'influence des profils sur le champ d'écoulement à travers le pont d'un navire peut être divisée en deux parties :
une partie potentielle, c'est-à-dire une circulation qui est induite dans le champ d'écoulement qui entraîne un changement de la vitesse et de la direction du vent local sur le navire et, par conséquent des conditions de vent différentes pour chaque profil.
une partie visqueuse, c'est-à-dire un sillage et des turbulences causés par la séparation de l'écoulement à l'origines de zones de faible vitesse du vent.
Visualisation des interactions potentielles sur un navire équipé de rotors
Le champ d'écoulement induit est illustré pour un TWA de 65°(AWA = 45°, AWS = 16,5 m/s).
Les angles (AWA) et les vitesses (AWS) du vent subis par chacun des rotors sont indiqués.
Nous pouvons observer que l'angle et la vitesse du vent subis par chaque rotor sont fortement influencés par la présence des autres rotors.
Ainsi, les coefficients de poussée et de force latérale et le régime optimal doivent être évalués en tenant compte de la vitesse et de l'angle du vent local.
Remarque : Similitude avec navigation en flotte
La configuration des angles et des vitesses du vent pour chaque rotor correspond à celle que connaissent des navires à différentes positions dans une flotte relativement dense.
Visualisation des interactions visqueuses sur un navire équipé de rotors
Dans le plan horizontal, les tourbillons d'extrémité suivent les lignes de courant potentielles.
Cependant, la trajectoire verticale, c'est-à-dire la hauteur des tourbillons et leur diamètre, est plus difficile à prévoir sans mesures de l'écoulement ou calculs CFD[2].
D'éventuelles pénalités de performance dues à l'air turbulent ou aux tourbillons libres peuvent néanmoins être saisies en compensation.
La zone de vent affecté par les interactions visqueuses apparaissent en bleu foncé dans l’axe des rotors.
Noter les superstructures représentées par le carré bleu à gauche de l'image.
Tous les rotors sont exploités au point de poussée nette maximale, i-e que leur vitesse de rotation est automatiquement modulée de manière à obtenir une composante propulsive maximale.
Ainsi, pour tenir compte de la réduction de performances des profils sous le vent, la vitesse du vent est réduite dans une zone dont la largeur est égale à la longueur de la corde (ou au diamètre pour les rotors) le long des lignes de courant potentielles sous le vent d'un profil.
Interaction des profils avec les œuvres-mortes
La présence de superstructures peut affecter un profil si ce dernier se trouve dans le tourbillon amont ou dans le sillage aval.
Le tourbillon amont ne concerne qu'une zone dont la hauteur est inférieure à 1/3 de la hauteur de la superstructure et s'étend sur moins de la moitié de la hauteur vers l'avant. Ainsi, le tourbillon amont peut généralement être négligé.
Le sillage en aval peut être modélisé à l'aide d'une réduction de la vitesse du vent, de zéro à la superstructure jusqu'à ce qu'elle atteigne la vitesse du vent libre à une distance égale à 20 fois la hauteur de la superstructure.
Remarque : Influence de la coque
(a) θ = 0°;
(b) θ = 20°;
(c) θ = 50°;
(d) θ = 90°.
On voit bien ici que la circulation de l'air autour d'un profil éolien peut largement être impacté par la forme du navire et le gisement du vent.
Egalement, on peut voir que la coque peut être à l'origine de phénomènes d'interaction importants, de manière analogue à ce qui peut être observé au sein de la couche limite dans un écoulement fluide, notamment la présence d'un gradient vertical de vitesse.
Fondamental : Prédominance interactions potentielles
On pourra retenir que la partie dominante de l'interaction aérodynamique est potentielle, c'est-à-dire due à la circulation induite, qui entraîne une modification des vitesses et des angles du vent local bien que les phénomènes d'interactions visqueuses ne sauraient être pour autant négligés.