Conception de motomarines écologiques avec résistance hydrodynamique réduite

Choix du matériau: Résistance sans poids

Les matériaux légers réduisent le déplacement, ce qui coupe directement les trois composants de traînée.

• Alloys en aluminium: L'aluminium offre un rapport résistance-poids élevé et une excellente résistance à la corrosion lorsqu'il est correctement traité.
• Polymères renforcés de fibre (FRP): Les composites en verre et en fibre de carbone permettent des formes complexes avec un poids minimal. La fibre de carbone est particulièrement rigide, permettant des coquilles minces et hydrodynamiques propres.
• Plaques de sandwich à core de balsa et à core de mousse:[ Ces stratifiés composites combinent des carottes légères avec des peaux fortes, offrant un faible poids et une rigidité élevée. Ils sont utilisés dans les coques, les ponts et les superstructures.
• Titanium et aciers inoxydables: Pour les appendices (roudeuses, étriers, hélices), le titane offre une excellente résistance à la fatigue et une faible rugosité de surface.

Annexes et géométrie sous-marine

Les rugisseurs, les quilles, les étriers et les stabilisateurs contribuent tous à la présence de la surface mouillée et de la traînée d'interférence.

• Intégrer les gouvernails dans les formes de coque ou utiliser des profils de lames tordus et optimisés.
• Utilisation de moteurs rembourrés (propulseurs azimuth) qui éliminent les longues lignes d'arbre et les structures de gouvernail.
• Remplacer les quilles fixes par des systèmes rétractables ou hydrofoil qui réduisent la traînée lorsque ce n'est pas nécessaire.
• Utiliser des appendices -zero-lift , qui ne génèrent aucun lifting latéral à vitesse de croisière, réduisant la traînée induite.

Stratégies de conception avancées pour une résistance hydrodynamique réduite

Au-delà de l'optimisation de la forme de base, plusieurs techniques avancées ont émergé pour pousser l'efficacité plus loin.

Systèmes de lubrification de l'air

La lubrification de l'air est l'une des technologies les plus prometteuses pour les grands et les petits navires. En soufflant de l'air du fond de la coque, une couche continue d'air (microbulles ou mince film) sépare la coque de l'eau, réduisant considérablement les frottements. La technologie peut réduire la résistance totale de 10 à 15 % dans l'eau calme. Des systèmes comme le système de lubrification d'air Mitsubishi (MALS) et Silverstream sont déjà installés sur les navires commerciaux.

Hydrofoils: Levée au-dessus de la résistance

Les oléagineux élèvent la coque complètement hors de l'eau à vitesse, éliminant la traînée de fabrication d'ondes et réduisant considérablement la traînée de frottement (puisque seuls les oléagineux et les oléagineux restent submergés).Les motomarines en déroute, comme les catamarans Americas Cup et les bacs commerciaux comme le Candela P-12, permettent de réduire de 80 à 90 % la consommation d'énergie par passager par rapport aux bateaux de rabotage conventionnels.

Hull Vane et Wake Péréquation ducts

La Hull Vane® est un film fixe monté à l'arrière de la ligne d'eau. Elle convertit une partie de l'énergie du sillage en poussée vers l'avant, réduisant la surface mouillée et la résistance aux vagues. Des essais indépendants ont montré une réduction de 5 à 10 % de la consommation de carburant à travers une plage de vitesses.

Configurations multicoques pour la réduction de la vitesse de l'onde

Les catamarans et les trimarans produisent naturellement des vagues plus petites par déplacement unitaire que les monocoques, car les coques sont minces et les systèmes d'onde interagissent de manière destructrice. Les progrès de la conception informatique permettent d'optimiser l'espacement et la forme de la coque pour une interférence encore plus faible. Le résultat est une réduction de 15 à 25 % de la résistance à la vague par rapport à un monocoque de déplacement similaire à une vitesse égale.

Propulser des innovations qui complètent la réduction de la traînée

La réduction de la résistance hydrodynamique va de pair avec une propulsion efficace. Les technologies suivantes maximisent la conversion d'énergie et réduisent au minimum la traînée supplémentaire du groupe motopropulseur.

Propulsion électrique et hybride

Les moteurs électriques ont un rendement élevé (plus de 90 %) par rapport aux moteurs à combustion interne (30 à 40 %). Lorsqu'ils sont jumelés à de grandes batteries ou à des piles à hydrogène, la propulsion électrique élimine les émissions directes et peut réduire considérablement l'utilisation énergétique globale. Le poids des batteries peut être compensé par des matériaux légers de coque.

Propulsement soutenu par le vent : le retour de la voile

L'énergie éolienne est libre et zéro émission. Les systèmes modernes d'aide éolienne vont au-delà des voiles traditionnelles:

• Roreurs de Flettner: Bouteilles à rotation qui utilisent l'effet Magnus pour générer de la poussée. Ils sont très efficaces et peuvent être réaménagés sur les navires-cargos.
• Voiles: Des voiles rigides en forme de feuille d'air, comme celles du Oceanbird[ transporteur de voiture transatlantique, peuvent réduire la consommation de carburant de 60 à 90 % sur des itinéraires optimaux.
• Systèmes de chauffage: De grands parafouses volant depuis l'étrave fournissent une poussée auxiliaire, surtout sur les routes venteuses.Le SkySails system a été utilisé sur les bateaux de travail pour réduire de 10 à 30 % l'utilisation de carburant.

Conception optimisée de l'hélice

L'efficacité de l'hélice a un impact direct sur la puissance nécessaire pour surmonter la traînée.

• Propulseurs à gros diamètre à rotation lente qui réduisent les pertes de vortex et de cavitation.
• Propulseurs à pas contrôlables qui maintiennent un angle optimal de lame à travers les vitesses.
• Bouses de caisse et hélices à conduits qui améliorent la poussée dans les charges lourdes (pour remorqueurs et bateaux de travail).
• Grim roues de vane et stators pré-swirl qui récupèrent l'énergie de rotation de la sillage.
• Les entraînements électriques à couple[ qui éliminent les longues lignes d'arbre et permettent la direction à 360 degrés, améliorant la maniabilité et réduisant la traînée d'appendice.

Dynamique des fluides informatiques (CFD) – Le réservoir numérique Designer

L'architecture navale moderne repose fortement sur CFD pour simuler le débit autour des coques avant la construction des modèles physiques. CFD permet une itération rapide des formes de coque, des appendices et des conditions d'exploitation. Des modèles multiphases avancés peuvent simuler la lubrification de l'air, la cavitation et même l'interaction de glace. En utilisant Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) ou Large Eddy Simulation (LES), les concepteurs peuvent prédire la résistance avec précision dans quelques pour cent des essais de réservoir.

Études de cas sur le monde réel : les motomarines amies de l'éco-piéton

Observateur de l ' énergie

Le Energy Observer est un catamaran autosuffisant alimenté par un mélange de piles solaires, éoliennes et à hydrogène. Sa coque était à l'origine un trimaran de course, mais a été repensé pour une faible traînée et une excellente capacité de charge. La configuration multicoque réduit la résistance à la production d'ondes, et la structure légère carbone-époxy minimise les déplacements.

Oceanbird – Transporteur de voitures transatlantique

Le concept Oceanbird, développé par Wallenius Marine, est un porte-voiture de 200 mètres qui utilise un jeu d'ailes rétractables (chacune 40 m de haut) pour atteindre une réduction d'émission de 90%. La coque est optimisée pour les vents faibles (pont ouvert pour les voitures) mais aussi pour une faible résistance hydrodynamique lors de la voile.

Silver Nova – Lubrification par air sur un bateau de croisière

Silversea=1 Silver Nova est un bateau de croisière de luxe utilisant un système de lubrification d'air micro-bulle intégré (de Silverstream) combiné avec des moteurs au gaz naturel liquéfié (GNL) et une coque rationalisée. La lubrification d'air réduit à elle seule la résistance totale d'environ 10%, ce qui correspond à des économies de carburant importantes et à des émissions plus faibles.

Tendances et orientations de la recherche

La pression pour le transport maritime net zéro conduit à une innovation continue.

• Enduits d'inspiration bio mimant la peau de requin (denticules cutanées) ou les feuilles de lotus pour réduire le frottement et empêcher la biosoudure sans produits chimiques.
• Réduction de la traînée active:[ Utiliser des actionneurs, des éléments piézoélectriques ou un régulateur de débit à base de plasma pour manipuler la turbulence de la couche limite.
• Des conceptions de coques hydro-élastiques[ qui flexent sous la charge pour optimiser la forme pour différentes vitesses et états de mer.
• Ragument autonome et optimisé par l'IA qui ajuste dynamiquement la vitesse et la trajectoire pour minimiser la traînée en temps réel.
• Les moteurs à ammoniame et à méthanol qui sont exempts de carbone s'ils sont produits à partir d'énergie renouvelable, combinés à des coques ultra-efficaces.
• Test et validation à l'aide de citernes de remorquage à haute fidélité et de réseaux de surveillance à grande échelle.

Conclusion

La réduction de la résistance hydrodynamique est fondamentale pour concevoir des embarcations écologiques qui consomment moins d'énergie et produisent moins d'émissions. En combinant les idées de la dynamique des fluides avec des matériaux avancés, des géométries de coque innovantes et des systèmes de propulsion intelligents, les ingénieurs peuvent créer des navires à la fois performants et durables. Les exemples d'Energy Observer, Oceanbird et Silver Nova démontrent que la technologie existe aujourd'hui pour réduire l'utilisation de carburant de 30 à 90 % par rapport aux conceptions conventionnelles.