Réduction de traînée visqueuse par injection d'air pour l'hydrodynamique navale – F-DRAINH

L’étude des couplages entre l’écoulement de liquide et la phase gazeuse sera traitée avec une approche diphasique. La configuration choisie est la couche limite sur plaque plane horizontale, avec effet de gravité favorable : injection par le haut. En fonction de la nature de l’écoulement : bulles ou cavité d’air, les couplages seront effectifs à des échelles différentes. Ces deux configurations seront abordées dans le cadre du projet.
Les essais expérimentaux seront réalisés dans le tunnel de cavitation de l’IRENav et nécessiteront le développement de techniques expérimentales de visualisation spécifiques PIV/PTV haute résolution spatiale en diphasique. Les expérimentations serviront de support à la validation des outils numériques développés dans le cadre du projet.
Les calculs numériques seront réalisés par l’IMFT et le LML avec des approches complémentaires. Avec le code Jadim, l’IMFT peut résoudre toutes les échelles de la turbulence avec un calcul des trajectoires de bulles à chaque pas de temps et retour sur l’écoulement porteur. Cette approche est adaptée à la couche de bulles pour des tailles de bulles limitées et des taux de vide faibles. Le LML peut tester différents modèles de turbulence (RANS ou résolution des grandes échelles) avec un modèle de fluide homogène..
Nous proposons dans le cadre de cette étude de tester différents niveaux de complexité des modèles numériques (2D, 3D, différentes approches pour la résolution de la turbulence) pour la prédiction de la traînée et des instabilités de cavité.

Pour la couche de bulles, on analysera d’une part l’effet des bulles sur la compressibilité du liquide et l’impact sur le frottement. On analysera d’autre part l’effet de l’interaction entre les bulles et la turbulence de l’écoulement sur le frottement : en particulier la dispersion turbulente des bulles par les grosses structures turbulentes de la couche limite, la modification de la structure de la turbulence dans la zone de proche paroi et la modification de la distribution spatiale du frottement à la paroi. On testera l’influence de la taille des bulles et du taux de vide sur le frottement de paroi.
Pour la cavité d’air en configurations stable et instable, on analysera l’effet des modifications des propriétés intrinsèques du mélange par l’injection d’air et l’impact sur le frottement à la paroi en particulier l’effet de compressibilité du mélange par une approche en fluide homogène. Une attention particulière sera portée à l’analyse de la fermeture de cavité et des instabilités associées en 2D et en 3D. Les techniques expérimentales et numériques développées pour l’analyse des écoulements cavitants seront étendues à ce type d’écoulement. On testera l’influence des conditions d’écoulement externe (direction, intensité et fluctuations) sur la traînée globale et la stabilité des cavités.

Ce projet fédère des compétences en numérique et en expérimental. Il permettra aux différentes communautés des écoulements diphasiques de mettre en commun des méthodes de travail. Il permettra d’analyser finement les phénomènes d’interaction entre les phases liquide et gazeuse, de mieux cerner les mécanismes responsables de la réduction de traînée par injection d’air, les paramètres d’influence et d’avancer sur la voie de la modélisation. L’objectif global à terme est de mettre en place des outils numériques permettant d’aider au design des coques et choix des conditions d’injection pour optimiser la réduction de traînée dans des conditions opérationnelles.

Numerical study of effect of the afterbody on steady state ventilated cavities, M. Adama Maiga, S. Fuzier, O. Coutier Delgosha, 8th International Conference on multiphase flow, ICMF 2013, Jeju, Korea, May 26-31, 2013

Le projet s’inscrit dans un contexte dual : civil et militaire de contrôle actif d’écoulement pour l’hydrodynamique navale. L’injection d’air dans la couche limite, sous la carène des navires, peut permettre de réduire localement le coefficient de frottement à la paroi de plus de 80%. On s’attend ainsi à améliorer la rapidité des navires, et à limiter leur consommation de carburant. Mais le contrôle du procédé passe par la compréhension physique du phénomène de réduction de frottement et la modélisation des interactions entre la phase gazeuse et l’écoulement porteur de liquide.
L’objectif global du projet est le développement d’outils numériques et de modélisation pour la prédiction de la réduction de traînée par injection d’air. Le projet repose sur l’association de 3 organismes de recherche : le GIP Ecole Navale/IRENav, l’IMFT et le LML, avec des approches complémentaires numérique et expérimentale. On propose d’analyser finement les mécanismes responsables de la réduction de traînée et de procéder à des tests des paramètres d’influence pour plusieurs configurations d’écoulement sur plaque plane horizontale : couche de bulles et cavités d’air stable et instable en aval de la zone d'injection.
Pour la couche de bulles, on analysera d’une part l’effet des bulles sur la compressibilité du liquide et l’impact sur le frottement. On analysera d’autre part l’effet de l’interaction entre les bulles et la turbulence de l’écoulement sur le frottement : en particulier la dispersion turbulente des bulles par les grosses structures turbulentes de la couche limite, la modification de la structure de la turbulence dans la zone de proche paroi et la modification de la distribution spatiale du frottement à la paroi. D’un point de vue expérimental, on procèdera à la mise en place d’une technique de mesure spécifique et originale en écoulement diphasique. D’un point de vue numérique, on procèdera à la résolution du couplage entre le fluide et les bulles à toutes les échelles de la turbulence. On testera l’influence de la taille des bulles et du taux de vide sur le frottement de paroi.
Pour la cavité d’air en configurations stable et instable, on analysera l’effet des modifications des propriétés intrinsèques du mélange par l’injection d’air et l’impact sur le frottement à la paroi en particulier l’effet de compressibilité du mélange par une approche en fluide homogène. Une attention particulière sera portée à l’analyse de la fermeture de cavité et des instabilités associées en 2D et en 3D. Les techniques expérimentales et numériques développées pour l’analyse des écoulements cavitants seront étendues à ce type d’écoulement. On testera l’influence des conditions d’écoulement externe (direction, intensité et fluctuations) sur la traînée globale et la stabilité des cavités.
A terme, l’analyse des mécanismes physiques permettra de mettre en évidence l’intérêt des différents niveaux de résolution et de couplage des modèles numériques pour la prédiction de la réduction de traînée par injection d’air sur plaque plane. Les tests paramétriques et l’étape de modélisation permettront de mettre en place des outils de prédiction, qui pourront être utiles aux industriels qui souhaitent utiliser ce type de procédé sur les coques de navire dans une démarche d’économie d’énergie ou de gain de vitesse.