Bien que des facteurs comme la forme de la coque et les systèmes de propulsion reçoivent une attention considérable, le paysage microscopique de l'extérieur d'un navire joue un rôle étonnamment puissant. Les textures de surface, qui sont des modèles ou des modifications facultatifs appliqués aux coques et aux feuilles, sont apparues comme une méthode sophistiquée pour minimiser la traînée hydrodynamique et maximiser l'élévation. En manipulant le comportement de l'eau à la couche limite, ces textures promettent des gains tangibles en vitesse, en économie de carburant et en stabilité.

La physique de la descente, du levage et de la couche de démarcation

Pour comprendre comment fonctionnent les textures de surface, il faut d'abord saisir les forces fondamentales en jeu sur un navire en mouvement. La traînée de friction est le mouvement de résistance qui s'oppose au mouvement vers l'avant, principalement en raison de deux éléments : la traînée de friction (également appelée friction de la peau) et la traînée de pression (traînée de forme).La traînée de friction provient de la viscosité de l'eau telle qu'elle adhère à la surface de la coque, créant une zone mince d'écoulement cisaillé connue sous le nom de couche limite. La traînée de pression résulte de la différence de pression entre l'étrave et l'arrière, exacerbée par la séparation du flux. La traînée de friction , inversement, est la force perpendiculaire à la direction du mouvement.

La couche limite peut être laminaire (l'écoulement laborieux, le flux ordonné) ou turbulente (l'écoulement chaotique, le flux de mélange). L'écoulement laminaire produit une friction cutanée plus faible, mais il est instable et rapidement transition à la turbulence sur la plupart des surfaces de la coque. L'écoulement turbulent, tout en augmentant la friction, peut en fait retarder la séparation de l'écoulement, réduisant la traînée de pression.

Types de textures de surface pour applications marines

Textures de la bande

Les rainures, souvent quelques dizaines à des centaines de micromètres profonds et espacés à intervalles similaires, fonctionnent en modifiant la couche limite turbulente. Plutôt que d'éliminer les turbulences, les rainures limitent le mouvement des tourbillons turbulents près du mur. Les pics des rainures créent des « murs virtuels » qui éloignent les tourbillons du cours d'eau, réduisant ainsi l'échange de moment qui génère des frottements cutanés. Des études ont démontré des réductions de la traînée de 5 à 10 % sur des plaques plates et des modèles de navires.

Micro-pâtisseries et fossettes

Inspirés par la surface de la coque, les micro-pistes, tels que les fossettes hémisphériques ou les ondulations sinusoïdales, peuvent être appliqués sur les surfaces de la coque. Contrairement aux côtes, ces motifs ne sont pas nécessairement alignés sur le débit. Ils fonctionnent en induisant des turbulences locales de manière contrôlée, ce qui peut réduire la traînée de pression en favorisant l'attache du débit. Sur une boule de golf, les fossettes créent une couche limite turbulente qui s'accroche à la boule plus longtemps, réduisant le sillage basse pression et réduisant la traînée.

Revêtements hydrophobes et superhydrophobes

Les revêtements hydrophobes (angle de contact > 90°) et les revêtements superhydrophobes (angle de contact > 150°) font monter et rouler l'eau de la surface. Lorsqu'ils sont submergés, ces revêtements peuvent emprisonner une fine couche d'air entre l'eau et la texture, phénomène connu sous le nom de formation de plastron. Cette couche d'air agit comme un film lubrifiant, permettant à l'eau de glisser à travers la coque avec une friction cutanée grandement réduite. Les surfaces superhydrophobes les plus efficaces combinent une rugosité micrométrique (p. ex., les micropilules ou nanograss) avec un traitement chimique à faible énergie de surface.

Textures bio-inspirées: peau de requin et au-delà

La surface naturelle la plus emblématique de la réduction des drags est peut-être la peau des requins qui nagent rapidement, qui est recouverte de petites structures dentiques appelées denticules dermiques. Ces denticules sont orientées avec un écoulement et présentent des crêtes de forme côtelée, mais leur forme est plus complexe, souvent avec des bouts de couronne et des bases flexibles. Les études suggèrent qu'elles réduisent la dragage en soulevant des tourbillons et en atténuant le biosoulage (accumulation d'organismes) en raison de leur énergie de surface et de leur petite taille.[1]]] Des matériaux artificiels de « peaux de scors », tels que ceux développés par la NASA et Speedo, ont été appliqués aux yachts de course et aux maillots de bain.

Textures actives et adaptatives

La prochaine frontière implique des surfaces qui peuvent changer leur texture en réponse aux conditions d'écoulement. Par exemple, les alliages de forme-mémoire ou les vessies pneumatiques pourraient modifier la hauteur des côtes ou la profondeur des fossettes pour optimiser les performances à différentes vitesses ou dans différents états de mer.

Mécanismes de réduction de la traînée

Les surfaces réduisent la traînée par plusieurs mécanismes interdépendants. L'effet principal est sur la couche limite turbulente. Les côtes, par exemple, augmentent l'épaisseur de la couche inférieure visqueuse près de la paroi, réduisant la contrainte de cisaillement de la paroi. Entre-temps, les surfaces hydrophobes réduisent la viscosité effective de la couche limite par glissement. Les fossettes et les micro-patterns peuvent modifier la distribution de la pression en déclenchant une transition précoce vers la turbulence, ce qui réenclenche la couche limite et retarde la séparation.

Les ingénieurs utilisent généralement la dynamique des fluides pour prédire les performances avant les essais physiques. Une étude 2021 publiée dans le Journal of Ship Research[ a révélé que l'espacement optimisé des côtes correspondant à une hauteur non dimensionnelle d'environ y+ -10-15 a permis une réduction maximale de la traînée dans le flux turbulent du canal[2]]

Amélioration de la charge de levage avec surfaces texturées

La génération de charge dans les feuilles marines (p. ex., les hydrofoils, les gouvernails et les voiles) dépend de la création d'un différentiel de pression entre les surfaces supérieures et inférieures. Les textures peuvent améliorer les rapports de charge en glissière en réduisant la pénalité de charge tout en maintenant ou même en augmentant la charge. Par exemple, l'application de côtes sur le côté succion d'une hydrofoil peut retarder la séparation à des angles d'attaque élevés, en augmentant l'angle de décrochage et en augmentant le port maximal. De même, les micro-ridges ou les générateurs de vortex (petites protrusions qui créent des vortices contrôlés) peuvent réattacher l'écoulement séparé sur la surface supérieure, augmentant efficacement le cambre efficace et le décrochage.

Avantages pratiques et conséquences opérationnelles

  • Épargnes de carburant:[ Pour les grands navires de charge qui brûlent du mazout lourd, même une réduction de 5 % de la traînée se traduit par des millions de dollars d'économies sur la durée de vie d'un navire.
  • Vitesse et portée : Les navires de la marine et les traversiers à grande vitesse peuvent atteindre des vitesses supérieures plus élevées ou la même vitesse avec des moteurs plus petits.
  • Stabilisabilité et embarcation:[ L'amélioration des caractéristiques de levage sur les feuilles et les stabilisateurs permet un meilleur amortissement du roulis et une meilleure intendance en mer rugueuse.
  • Résistance à la biosalissure : Certaines textures, notamment les surfaces superhydrophobes et les microtopographies, découragent le peuplement des barnacles, des algues et d'autres organismes marins, ce qui réduit le besoin de peintures antisalissures, qui contiennent souvent des biocides toxiques, réduisant ainsi les coûts d'impact environnemental et d'entretien.
  • Bruit et vibration réduits:[ En contrôlant la séparation du débit et l'éviction du vortex, les textures peuvent atténuer les forces instables qui causent les vibrations de la coque et le bruit sous-marin.

Défis et limites

Malgré leur promesse, les textures de surface sont confrontées à plusieurs obstacles à une adoption généralisée.La durabilité[ demeure la principale préoccupation.Les côtes peuvent être abrasées par les sédiments, la glace ou le contact avec les quais, tandis que les revêtements hydrophobes peuvent éroder ou perdre leur répulsif au fil du temps.L'encrassement marin peut obstruer les microstructures, niant leur efficacité après quelques semaines dans l'eau.Le nettoyage de ces textures est difficile; le lavage à haute pression ou le nettoyage de la coque en eau peut endommager des caractéristiques délicates.L'évolutivité est un autre problème : l'application de textures cohérentes à une coque de 300 mètres nécessite des procédés de fabrication (p. ex., le gaufrage à rouleaux, le texturage laser robotisé ou l'application de pulvérisation) qui sont à la fois à haute vitesse et rentables.

Études de cas et mise en œuvre dans le monde réel

Expédition commerciale

Le constructeur naval japonais Oshima Shipbuilding, en partenariat avec la compagnie maritime Mitsui O.S.K. Lines et l'Institut national de recherche maritime, a effectué un essai à grande échelle en 2019 à l'aide d'un film de côtelette appliqué à un vraquier de 185 mètres. Au cours d'un voyage de six mois, le film a maintenu une réduction moyenne de la traînée de 4,5 % malgré une accumulation de salissures, ce qui a permis d'estimer les économies de carburant de 0,8 % après avoir pris en compte la propre pénalité de frottement du film.[4]] L'essai a mis en évidence la nécessité d'un nettoyage périodique pour maintenir les performances.

Yachts de course

Les bateaux de la Coupe de l'Amérique et Volvo Ocean Race ont longtemps été des laboratoires pour l'ingénierie de surface extrême.Les bateaux de la Coupe ont utilisé des côtes, des revêtements hydrophobes et même des membranes actives sur des feuilles.Dans la Coupe de l'Amérique 2017, les hydrofoils de l'équipe gagnante ont présenté des microgrooves au laser qui auraient amélioré de 2 à 3 % le port de l'ascenseur au drag.

Applications navales

Le Bureau de recherche navale des États-Unis a financé de nombreux travaux sur les revêtements inspirés par la peau de requin pour réduire la traînée et la biosoudure sur les sous-marins. Une étude réalisée à l'aide d'un véhicule sous-marin de 3 mètres à coque à bord de côtes a révélé une réduction de 7 % de la puissance de propulsion à la vitesse de croisière.

Orientations futures et frontières de la recherche

L'évolution des textures de surface dans le génie marin est convergente avec plusieurs autres technologies. Machine learning et CFD permettent une optimisation à haut débit des géométries, matériaux et arrangements de texture. Plutôt que de mimer directement la nature, les ingénieurs peuvent maintenant concevoir des textures adaptées aux formes spécifiques de coque et aux profils d'exploitation des navires. ]La fabrication additive (3D impression) permet la création de textures hiérarchiques avec des caractéristiques allant des micromètres aux millimètres, combinant plusieurs fonctions (réduction des drags, résistance aux encrassements, renforcement structurel) en une seule couche. Des matériaux biodégradables et durables sont également en cours d'exploration, à mesure que les réglementations environnementales se resserrent.

La recherche fondamentale est de déterminer les limites de la réduction de la traînée. Les surfaces superhydrophobes avec des plastrons stabilisés pourraient théoriquement atteindre des longueurs de glissement de dizaines de micromètres, réduisant ainsi la friction cutanée de 40% ou plus dans des conditions laminaires. Cependant, le maintien de cette écoulement turbulent à des nombres élevés de Reynolds reste insaisissable. Une autre avenue prometteuse est les revêtements conformes— les surfaces élastiques qui absorbent les fluctuations turbulentes et les oscillations d'amortissement dans la couche limite.

Enfin, l'intégration des textures de surface avec les systèmes de lubrification de l'air (où des bulles sont injectées le long de la coque) pourrait produire des effets synergiques. Les textures pourraient stabiliser la couche de bulle, empêcher la coalescence et améliorer la couverture.

L'avenir des textures de surface dans les navires n'est pas une innovation unique, mais une superposition de multiples techniques complémentaires. En manipulant le débit à l'échelle microscopique, nous pouvons réaliser des gains macroscopiques en efficacité, durabilité et performance.

Conclusion

Des côtes et fossettes aux imitations de peau de requin et aux revêtements superhydrophobes, ces modifications offrent des réductions tangibles de la traînée et des améliorations dans le levage. Les essais réels confirment des économies de carburant de quelques pour cent, tandis que les expériences en laboratoire promettent des gains beaucoup plus importants une fois les défis de durabilité et d'évolutivité surmontés. À mesure que les outils de conception informatique et la fabrication avancée seront mûrs, nous pouvons nous attendre à ce que les textures de surface deviennent des caractéristiques standard sur les navires de construction neuve, les travaux de modernisation et les embarcations navales.

Références

  1. Dean, B., & Bhushan, B. (2010). Surfaces de peau de requin pour la réduction du flux turbulent de fluide : un examen. Transactions philosophiques de la Société Royale A, 368(1929), 4775–4806. doi:10.1098/rsta.2010.0201
  2. García-Mayoral, R., & Jiménez, J. (2011). Réduction de la traînée par les côtes. Journal de la mécanique des fluides, 676, 21–47. doi:10.1017/jfm.2010.510
  3. Park, H., & Lee, S. (2019). Effet de la configuration de fossette sur la performance aérodynamique d'une feuille d'air NACA 0012. Journal of Mechanical Science and Technology, 33, 1671–1678. doi:10.1007/s12206-019-0317-8
  4. Yamamori, T., et al. (2020). Mesure à grande échelle de l'effet de réduction de la traînée par film de côtes sur un vraquier. Journal of Marine Science and Technology, 25, 1039–1047. doi:10.1007/s00773-020-00705-5