La réduction de la consommation et des émissions de carburant est une priorité absolue pour l'industrie maritime, où les navires brûlent du mazout lourd et représentent une part importante des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Drag – la résistance qu'un navire rencontre à travers l'eau – détermine directement la puissance nécessaire pour maintenir la vitesse. Même des réductions modestes de la traînée se traduisent par des économies substantielles de carburant et des coûts d'exploitation moindres sur une durée de vie d'un navire.

Le logiciel Computational Fluid Dynamics (CFD) comme Ansys Fluent permet aux ingénieurs de modéliser ces interactions complexes entre la structure des fluides avec une grande fidélité, simulant les performances de différents revêtements avant toute application physique. Cette approche accélère le cycle de conception, réduit le besoin d'expériences coûteuses de remorquage des réservoirs et fournit une vue approfondie des mécanismes de flux responsables de la réduction de la traînée. Cet article explore comment les revêtements de surface affectent la traînée sur les navires, l'utilisation d'Ansys Fluent pour modéliser ces effets, et les perspectives pratiques que CFD peut offrir pour la sélection et la conception du revêtement de coque.

La physique du glisser dans les navires marins

La traînée de pression est due à la forme de la coque et à la séparation de la couche limite, tandis que la traînée de frottement est causée par la contrainte de cisaillement exercée par le fluide sur la surface mouillée. À des vitesses de croisière typiques des navires commerciaux, la traînée de frottement représente 70 à 80 % de la résistance totale.

La couche limite, la mince région du fluide adjacent à la surface de la coque, est une traînée de frottement de la gouvernail. Dans une couche limite turbulente, le transfert de l'élan est élevé, ce qui entraîne une plus grande contrainte de cisaillement. Les revêtements de surface peuvent modifier la couche limite en modifiant la rugosité de la surface (qui influe sur la production de turbulences) ou en introduisant un état de glissement au mur.

Le nombre de Reynolds (Re) caractérise le régime de débit. Pour les grands bateaux, Re peut dépasser 109, ce qui signifie que la couche limite est complètement turbulente sur la plupart des coques. Les revêtements qui retardent la transition vers la turbulence près de l'arc peuvent apporter des avantages supplémentaires, mais à un niveau élevé Re le mécanisme primaire reste la réduction de friction de la peau dans le régime turbulent.

Types de revêtements de surface pour la réduction de la traînée

Revêtements hydrophobes et superhydrophobes

Les revêtements hydrophobes ont un angle de contact avec de l'eau de plus de 90°, tandis que les revêtements superhydrophobes dépassent 150°. Ces revêtements réduisent la traînée en favorisant le glissement partiel au mur. Dans les simulations, ce glissement est généralement modélisé en utilisant un paramètre de longueur de glissement (la distance au-dessous de la paroi à laquelle la vitesse tangentielle extrapolerait à zéro).

Surfaces texturées et d'inspiration bio

Inspiré par la peau de requins à nage rapide, les surfaces de côtes – rainures microscopiques alignées sur le flux – réduisent la traînée en limitant le mouvement de la travée des tourbillons turbulents. Les études CFD avec Ansys Fluent montrent que les côtes peuvent réduire la traînée de frottement de 5 à 10 % lorsqu'elles sont optimisées pour une forme et une vitesse de coques données.

Revêtements pour lubrification par air

Des revêtements avancés injectent ou piègent de l'air le long du fond de la coque pour créer une couche de gaz partielle. Ansys Fluent modèles multiphase (p. ex., volume de fluide ou de multiphase eulérienne) peut simuler l'interface air-eau et la réduction de la traînée qui en résulte.

Revêtements conformes et abrasifs

Les revêtements conformes, fabriqués à partir de matériaux polymériques souples, absorbent l'énergie turbulente et retardent la transition. Leur effet est le plus prononcé chez les Reynolds inférieurs, mais leur durabilité et leur performance à long terme dans les milieux marins sont encore à l'étude.

Dynamique des fluides informatiques avec Ansys Fluent

Ansys Fluent fournit une suite complète d'outils pour simuler le débit de fluide, le transfert de chaleur et les interactions multiphases. Pour les études de revêtement de coque, les capacités robustes de maillage, les modèles de turbulence et les fonctions définies par l'utilisateur (UDF) rendent idéal pour modéliser les effets subtils des traitements de surface.

Configuration d'une simulation

La première étape consiste à créer un modèle 3D de la géométrie de la coque, souvent importé comme fichier CAO. Le domaine informatique est généralement assez grand pour éviter les interférences de la frontière : les longueurs amont, aval et latérales de 2 à 5 longueurs de coque sont communes. Un maillage non structuré avec des couches de prisme près de la surface de la coque est essentiel pour résoudre la couche de frontière. La première hauteur de cellule est choisie pour obtenir une valeur de y+ près de 1 pour les modèles de turbulence à faible nombre de Reynolds (p. ex., k----SST) ou environ 30 pour les fonctions murales.

Les conditions de bordure comprennent une entrée de vitesse (ou entrée de débit massique) à la face amont, une sortie de pression en aval, des plans de symétrie (le cas échéant) et la surface de la coque définie comme une paroi sans glissement. Pour les surfaces revêtues, l'état de bordure de la paroi doit être modifié pour refléter l'effet de glissement.

Pour les flux marins, le modèle SST k---- est un choix populaire car il capte les flux à proximité de la paroi et du cisaillement libre. Pour des études plus détaillées de l'interaction revêtement-turbulence, on peut utiliser la simulation grand Eddy (LES) ou la simulation Eddy détachée (DES), bien que celles-ci soient coûteuses sur le plan informatique.

Définition des propriétés de revêtement

Pour les revêtements hydrophobes, le paramètre clé est la longueur de glissement. Dans Fluent, cela peut être mis en œuvre en modifiant l'état de la limite de contrainte de cisaillement mural. Pour les surfaces superhydrophobes avec poches d'air, une simulation multiphase plus détaillée peut être nécessaire : la surface de revêtement est modélisée comme un modèle de régions solides et gazeuses, les régions gazeuses étant définies comme des murs à glissement libre.

Pour les surfaces de côtes, la géométrie exacte des rainures peut être mesurée directement si les dimensions des côtes sont beaucoup plus grandes que l'épaisseur de la couche limite. Cependant, pour les coques à pleine échelle, cela est peu pratique. Au lieu de cela, une rugosité équivalente ou une fonction de paroi anisotrope peut être appliquée. Ansys Fluent permet de spécifier la rugosité directionnelle en utilisant le modèle -roughness avec des hauteurs de rugosité distinctes dans le sens du cours d'eau et dans le sens de l'échelle.

Simulation de fonctionnement et de surveillance

Après avoir réglé le cas, le résolveur est exécuté jusqu'à ce que les résidus stabilisent et surveillent les quantités (p. ex., force de traînée, levage, moment) convergent. Généralement, 1000 à 5000 itérations sont nécessaires pour le RANS stable, tandis que les ERP transitoires nécessitent de nombreuses étapes de temps.

Étude de cas : Revêtement hydrophobe sur une coque de réservoir

Pour illustrer le processus de modélisation, il faut considérer une coque-citerne simplifiée (p. ex., une coque Wigley ou une géométrie réelle du navire-citerne) qui voyage à 12 noeuds en eau de mer. La longueur de la coque est de 250 m, et le nombre de Reynolds basé sur la longueur est d'environ 1,1×109. Un revêtement hydrophobe d'une longueur de glissement de 50 μm est appliqué à toute la surface immergée.

Un domaine de calcul est créé avec des dimensions : 1000 m en amont, 1500 m en aval, 500 m de large et 300 m de profondeur. Un maillage hexaédral structuré de 8 millions de cellules est généré, avec 20 couches de prisme donnant y+ ~ 1. Le modèle de turbulence SST k---. Deux cas sont simulés : une coque nue (état sans glissement) et une coque revêtue (mur de glissement, longueur de glissement = 50 μm).

Les résultats montrent une réduction de 12 % de la traînée totale pour la coque enduite, avec une diminution de 15 % de la composante de frottement alors que la traînée de pression reste presque inchangée. La répartition de la contrainte de cisaillement de la paroi est significativement plus faible sur la surface de la coque enduite, surtout sur le fond et les côtés où le revêtement est exposé à un débit à grande vitesse.

La visualisation du débit révèle un léger épaississement de la couche limite en aval, mais aucun effet négatif sur la séparation. La simulation confirme que le revêtement procure le plus grand avantage dans les parties médiane et arrière de la coque, où la couche limite est entièrement développée.

Analyse des résultats de simulation

Lors de l'évaluation des performances du revêtement, plusieurs paramètres doivent être comparés:

  • Coefficient de traînée total (CD)[ – indicateur primaire des économies de carburant.
  • Coefficient de traînée (CF) – mesure le composant de frottement cutané.
  • Distribution de contraintes de cisaillement dans les roues – Les cartes spatiales montrent les zones de fortes contraintes où les revêtements sont les plus efficaces.
  • Profils de vitesse – révèlent l'état de glissement et la forme de la couche limite.
  • Énergie cinétique turbulente – indique si le revêtement supprime la production de turbulence.

La comparaison de plusieurs revêtements (p. ex. longueurs de glissement, géométries de côtes ou taux d'injection d'air) dans une étude paramétrique permet aux ingénieurs d'identifier le revêtement optimal pour une forme de coque spécifique et l'état de fonctionnement.

Une nuance importante : un revêtement qui réduit significativement la traînée à l'échelle du modèle peut être moins efficace à l'échelle complète en raison des effets de nombre de Reynolds. Ansys Fluent peut simuler les deux échelles, et les résultats peuvent être utilisés pour développer des lois de graduation. Par exemple, le pourcentage de réduction de traînée diminue souvent avec l'augmentation de Re, de sorte que les prédictions à l'échelle complète doivent être faites avec soin.

Validation et défis

La validation des données expérimentales est essentielle pour toute étude CFD. Les essais de remorquage avec des plaques planes enduites ou des modèles simples de coque fournissent des données de référence pour la réduction de la traînée. Cependant, les expériences physiques avec des revêtements sont coûteuses et chronophages, c'est pourquoi CFD est si précieux pour les revêtements candidats à la sélection en aval avant les essais.

  • Résolution de la maille:[ Résoudre adéquatement la couche limite près d'une surface revêtue nécessite un maillage très fin. Les surfaces superhydrophobes avec microtextures exigent des mailles avec des dizaines de millions de cellules, souvent au-delà des limites pratiques pour les coques complètes.
  • Précision du modèle de turbulence :[ Aucun modèle n'est parfait pour tous les flux. Le modèle SST de k---- tend à sous-estimer la séparation et les frottements surprédict dans certains cas.
  • Modélisation multiphase:[ Pour les revêtements de lubrification de l'air, le comportement de la couche d'air est sensible à la tension de surface, au taux d'injection d'air et au mouvement de la coque.
  • Durabilité du revêtement:[ Les simulations supposent que le revêtement se comporte idéalement, mais que les revêtements réels se dégradent, s'enflent ou sont endommagés. CFD peut modéliser les états dégradés par des balayages de paramètres pour estimer les performances sur un cycle d'entretien.

Incidences pratiques et orientations futures

D'un point de vue pratique, les opérateurs maritimes s'intéressent aux économies nettes de carburant réalisables avec un revêtement donné. Ansys Fluent études peut fournir le pourcentage de réduction de traînée, qui se traduit directement en économies d'énergie. Pour un grand conteneur, une réduction de 10 % de traînée peut économiser plusieurs milliers de tonnes de carburant par an et réduire les émissions de CO[2 de dizaines de milliers de tonnes.

Les pressions réglementaires, comme l'indice de conception de l'efficacité énergétique (IDEE) de l'Organisation maritime internationale (OMI) et l'indicateur d'intensité du carbone (ICII), poussent les propriétaires à adopter des améliorations de l'efficacité.

Les développements futurs de la technologie de revêtement incluent des revêtements -smart-- , qui peuvent changer leurs propriétés en réponse aux conditions de débit (p. ex., les champs électriques pour contrôler le glissement), des revêtements qui libèrent activement de l'air avec une énergie minimale et des revêtements durables qui résistent à la biosoudure tout en maintenant la réduction de la traînée.

De plus, le couplage CFD avec des algorithmes d'optimisation (par exemple, un résolveur adjoint ou des algorithmes génétiques) peut automatiquement trouver le motif ou la texture de revêtement optimal pour une coque donnée.

Conclusion

Ansys Fluent offre un cadre de simulation puissant et flexible pour modéliser les effets dynamiques des revêtements, depuis les couches hydrophobes et superhydrophobes jusqu'aux textures de côtes et aux systèmes de lubrification de l'air. En construisant des simulations réalistes, les ingénieurs peuvent prédire la réduction des traînées, comparer les variantes de revêtement et optimiser les conceptions sans le coût et le temps des essais à grande échelle.

Le processus, de la création de géométrie, du maillage, de la configuration des limites, de l'exécution du solveur, au post-traitement, exige une attention particulière à la modélisation de turbulences, au traitement des murs et à la paramétrisation du revêtement. Malgré des défis comme la résolution des mailles et la validation des modèles, les études CFD avec Ansys Fluent se sont révélées fiables et perspicaces.