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Soutenance de thèse en Génie Mécanique par Richard LELOUP

Cette soutenance de thèse aura lieu le 3 octobre 2014 à 14h à l'ENSTA Bretagne

Sujet : "Elaboration d’un outil d’aide à la prédiction du comportement et de la tenue mécanique d’un cerf-volant auxiliaire de propulsion pour bâtiments de soutien de la flotte"

Modelling approach and numerical tool developments for kite performance assessment and mechanical design; application to vessels auxiliary propulsion

 

The need of reducing the CO2 emissions and the increasing oil prices that affect the maritime industry fostered Yves Parlier to launch the project “beyond the sea®” dedicated to the development of kite auxiliary propulsion devices.

The first objective of this study is to develop a simple and fast kite flight modelling in order to estimate the performances of a kite as an auxiliary propulsion device. A kite flight modelling based on the zero-mass assumptions was rewritten in order to speed up the velocity and tether tension calculations along a flight path. The wind gradient and the ship velocity were integrated to the kite flight modelling. An optimization strategy for kite tow efficiency is proposed taking into account both static and dynamic flight cases. For the dynamic flight case, the azimuth, elevation and orientation of the trajectory are continuously optimized in the present algorithm. Finally, using a 320 m2 kite on a 50 000 DWT tanker, the fuel saving computed reaches 26 % on the North Atlantic route. The kite flight modelling is then integrated into a sailboat dynamic simulator to evaluate the kite performance in comparison with classical rig sailing. It is shown that the boat towed by kite achieve much better sailing performance.

 

The second objective is to develop a Fluid Structure Interaction (FSI) process dedicated to the design of large kites. For that a kite fluid modelling based on the lifting line method is applied to a Leading Edge Inflatable (LEI) kite in order to predict its aerodynamic characteristics and the kite pressure load within the kite structure. The so called 3D lifting line model takes into account the three-dimensional shape of the kite, and includes viscosity effects by a boundary layer calculation done with XFOIL. Three methods are proposed to model the kite structure. In the first method, the canopy, whose geometry is obtained by assembling the measured flat panel forms, is modelled with membrane elements and the tube structure with beam elements. The second method is based on the three dimensional canopy shape obtained by deploying the panel assembly using shell elements. The third method is based on the 3D geometry of a LEI kite reconstructed from the inflatable tube structure measured with a stereophotogrammetry system. The fluid and structure modelling were coupled into a FSI process in thje case of a LEI kite in static flight. The final stress field within the flying shape and the aerodynamic characteristics can be used for the design of large kites dedicated to ship auxiliary propulsion.

 

Elaboration d’un outil d’aide à la prédiction du comportement et de la tenue mécanique d’un cerf-volant auxiliaire de propulsion pour bâtiments de soutien de la flotte

 

Les contraintes imposées par la réduction des émissions de CO2 et l’augmentation du prix du pétrole dans l’industrie maritime ont poussé Yves Parlier à lancer le projet “beyond the sea®” dans le but de développer des cerfs-volants (kites) dédiés à la propulsion auxiliaire des navires.

Le premier objectif de cette étude est de modéliser un kite en vol de manière simple et rapide afin d'estimer les performances de la propulsion par kite. Ainsi, une réécriture du modèle zero-mass est proposée afin d'accélérer le calcul des vitesses et des forces le long d'une trajectoire. Le gradient de vent et la vitesse du navire sont intégrés à la modélisation du kite en vol. Une stratégie d'optimisation de la force propulsive générée par le kite est également proposée en prenant en compte le vol statique et le vol dynamique. Dans le cas du vol dynamique, l'azimut, l'élévation et l'orientation de la trajectoire sont simultanément optimisés. Finalement, en utilisant un kite de 320 m2 sur un tanker de 50.000 DWT, l'économie de carburant prédite atteint 26 % sur la route de l’Atlantique Nord dans le sens Ouest-Est. La modélisation du kite en vol a également été intégrée à un simulateur dynamique de voilier afin de comparer les performances d’un kite à celles d’un gréement classique. Finalement, la comparaison des deux modes de propulsion prédit qu’un bateau tracté par kite atteint de bien meilleures performances qu’un gréement classique.

 

Le second objectif de cette étude est de développer une boucle d’interaction fluide structure dédiée à la conception de grands kites. Pour cela, une modélisation aérodynamique du kite basée sur la méthode de la ligne portante est appliquée à un kite à boudins afin de prédire ses caractéristiques aérodynamiques et le chargement en pression associé. Cette modélisation appelée ligne portante 3D prend en compte la forme tridimensionnelle du kite, et inclut les effets de la viscosité par un calcul de couche limite réalisé avec le code XFOIL. Trois méthodes sont proposées pour la modélisation de la structure du kite. Dans la première méthode, la canopée, dont la géométrie est obtenue par assemblage des laizes planes, est modélisé par des éléments membrane et la structure de boudins gonflables par des éléments poutre. La deuxième méthode est basée sur la géométrie 3D de la canopée obtenue par déploiement de l’assemblage des laizes en utilisant des éléments coque. La troisième méthode utilise la géométrie 3D du kite reconstruite à partir d’une mesure par stéréophotogrammétrie de la structure de boudins gonflables. Les modélisations fluide et structure sont finalement intégrées à un modèle d’interaction fluide-structure dans le cas d’un kite en vol statique. Le champ de contraintes et les propriétés aérodynamiques prédites pourront être utilisés pour le dimensionnement des grands kites dédiés à la propulsion auxiliaire des navires.

Photo du mois

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(C) Pascale Lherminier / Ifremer