Une chose qui attire souvent l’œil d’un homme commun concernant la plupart des navires, est la projection en forme de bulbe à l’extrémité avant du navire, souvent sous la ligne de flottaison. Il n’y a aucun doute sur le fait qu’à un moment de votre vie, vous vous êtes interrogé sur la raison de la présence de cette structure. Eh bien, puisqu’elle ressemble généralement à la forme du bulbe, et qu’elle est toujours placée à l’avant du navire, elle est connue sous le nom de Bulbous Bow.
Regardons en arrière, dans une centaine d’années. Vous vous souvenez du Titanic ? Vous avez dû observer qu’il n’avait pas de proue bulbeuse. Mais essayez de jeter un coup d’œil sur les étraves des navires de croisière modernes, des porte-conteneurs, des méthaniers, des navires de recherche, etc. Tous sont caractérisés par une proue à bulbe. Il n’y a pas que les navires monocoques, aujourd’hui presque même les catamarans sont équipés d’une proue à bulbe plutôt que d’une proue droite. Pourquoi ?
Spectre de sillage généré par un petit bateau. Photographie : Edmont/ wikipedia (Fig.1)
Lorsqu’un navire déferle, il génère ses propres ondes de Kelvin (celles que l’on voit autour d’un navire lorsqu’il navigue en pleine mer), comme le montre la figure 1.
Maintenant visualisez-le de cette façon – les ondes sont essentiellement des formes d’énergie voyageant dans le milieu aquatique. D’où vient cette énergie ? En d’autres termes, qui a énergisé les particules d’eau pour former ces vagues ?
C’est la masse mobile du navire qui fait ce travail. Notez le mot « mobile ». Le mouvement du navire est alimenté par son système de propulsion. Une partie de l’énergie fournie par le moteur sert à faire tourner l’hélice, et à son tour, une fraction de cette poussée générée par l’hélice est utile pour propulser réellement le navire. Où va le reste de l’énergie ? Vous vous souvenez que les particules d’eau ont été énergisées pour transmettre des ondes ? C’est votre réponse. C’est aussi ce qu’on appelle la résistance à la formation de vagues d’un navire.
Maintenant, pourquoi discutons-nous de cela, et qu’est-ce que cela a à voir avec une proue bulbeuse ? Lisez la suite.
Vague d’étrave (Courtoisie : Titanic Motion Picture) Figure 2
Considérez un navire avec une étrave droite (par exemple, le Titanic). Lorsque le navire déferle vers l’avant, les particules d’eau se déplacent vers la poupe sur toute la longueur du navire. Mais qu’en est-il de cette particule d’eau qui se trouve juste au centre de l’étrave ? Sa vitesse instantanée est nulle, ce que l’on appelle en termes scientifiques un point de stagnation. Si vous vous souvenez de l’équation de Bernoulli, la pression à un point de stagnation sera plus élevée. La pression des particules d’eau à l’avant est donc plus élevée, ce qui donne lieu à la crête d’une vague. Cette vague est appelée vague d’étrave, car elle est générée par le mouvement de l’étrave dans l’eau, comme le montre la figure 2. Ainsi, avec une proue droite, il y a toujours une vague qui se forme en permanence, avec sa crête à la proue. Il est donc évident que nous gaspillons une partie de la puissance du moteur pour générer cette vague. Et si cet effet de formation de vague pouvait être réduit ? Si oui, comment ?
Si nous introduisons une autre discontinuité (toute structure dans le navire sous la ligne de flottaison qui perturbe l’écoulement laminaire est considérée comme une discontinuité) sous la ligne de flottaison à l’avant, devant l’étrave du navire, la discontinuité donnera elle-même naissance à une autre vague à son point le plus avancé. Comme l’étrave se trouve toujours à la ligne de flottaison, elle générera des vagues d’étrave normales. Et si nous pouvions concevoir la forme et la position de la discontinuité de manière à ce que la vague d’étrave et la vague créée par la discontinuité donnent lieu à une interférence destructive ? (Voir la figure 3) C’est à peu près le principe qui sous-tend la conception d’une proue à bulbe. L’interférence destructive a pour résultat de réduire la formation de vagues du navire, et qui réduit encore la traînée de formation de vagues de la forme de la coque.
Fig 3. Vague d’étrave et Vague générée par le bulbe, toutes deux déphasées
Dans les étapes préliminaires du développement du bulbe, la mission première de la conception était de réduire la traînée de formation des vagues. Mais au fur et à mesure que nous avancions, nous ne pouvions pas nous empêcher d’approfondir des aspects plus intéressants, comme discuté ci-dessous :
La formation de vagues est une caractéristique importante des formes de coques plus fines. C’est pourquoi, vous remarquez des formes d’ondes Kelvin proéminentes dans les navires de croisière, les paquebots, les yachts et les croiseurs navals. Si vous observez un vraquier ou un pétrolier (formes de coque plus complètes), il est évident que ces formes de coque ne présentent pas de formes d’ondes de Kelvin proéminentes. Pourquoi ? Parce que la largeur de la ligne de flottaison au niveau de l’étrave est si grande (ou en d’autres termes, la discontinuité de l’écoulement est plus importante) que la pression augmente à un niveau tel que la hauteur de la vague d’étrave dépasse le seuil jusqu’auquel une vague conserve ses propriétés. Dans ce cas, la vague se brise juste à la proue elle-même avant même de se déplacer sur la longueur du navire.
Donc, les formes de coques plus pleines sont-elles plus efficaces sur le plan énergétique à cet égard ? Non. Les formes de coques plus pleines ont-elles une résistance élevée à la formation des vagues ? Non. Les formes de coques plus pleines ont-elles une grande résistance à la rupture des vagues ? Oui. Avec cette application, des bulbes ont également été introduits dans les bulkers et les tankers pour réduire leur résistance au déferlement des vagues.
Les différents types de bulbes en fonction de leurs formes, positions et orientations sont présentés ci-dessous :
Pareil à l’avant. ( Photo de Danny Cornelissen tirée du site portpictures.nl / Wikipédia)
Etrave à bélier (Crédits image : S*anner 06n2ey / wikipédia)
Etrave à bélier avec bélier loin sous la ligne de flottaison (Photographie de Hammelmann Oelde / Wikipédia)
Etrave à bélier près de la ligne de flottaison ( Crédits image : Jens Mayer de Mannheim, Allemagne/ wikipedia)
Bulbe avec une articulation ( Crédits d’image :MKFI/Militaire de Finlande / Wikipedia)
La position du bulbe affecte significativement la différence de phase entre la vague d’étrave et la vague du bulbe. Le volume du bulbe est un facteur déterminant de l’amplitude de la vague résultante.
Un autre avantage du bulbe est qu’il réduit les effets dynamiques du mouvement de tangage d’un navire. Dans la plupart des navires, l’intérieur du bulbe est utilisé comme ballast de pointe avant. En cas de fort tangage, la citerne du coqueron avant est souvent ballastée pour réduire l’effet du tangage.
Comment ? Eh bien, la période de tangage est directement proportionnelle à la distance longitudinale des poids par rapport au LCG du navire. Lorsque le coqueron avant est lesté, il augmente le poids à une plus grande distance du LCG du navire (qui, dans la plupart des cas idéaux, se trouve derrière le milieu du navire). En d’autres termes, le rayon de giration du tangage augmente, ce qui accroît la période de tangage du navire. L’augmentation de la période de tangage entraîne une diminution des effets dynamiques du mouvement de tangage.
En cas de navigation dans les glaces, le bulbe permet à la glace brisée de glisser le long de la coque avec son côté humide contre la coque. Le côté mouillé de la glace ayant un coefficient de friction moindre, réduit la traînée globale du navire.
Les étraves à bulbe ont également été avantageuses pour loger les propulseurs d’étrave, comme on peut le voir sur les navires modernes équipés de propulseurs d’étrave. Dans les navires navals qui utilisent l’acoustique sous-marine à haute fréquence comme le SONAR, les étraves bulbeuses agissent comme un logement protecteur, en plus de ses effets positifs de réduction de la traînée.
Étrave à dôme du SONAR Crédits d’image : bigredvolvos.co.uk
Après des procédures répétées d’essais sur modèle d’une large gamme de formes de coques et de bulbes, il a été constaté que les bulbes ne sont pas efficaces à toutes les vitesses de service (reliez-le aux nombres de Froude). Pour les nombres de Froude très bas, on a constaté que les étraves à bulbe augmentent la traînée. Vous vous demandez pourquoi ? Parce qu’un bulbe n’est efficace que lorsqu’il crée sa propre vague, en même temps que la vague d’étrave. Mais à des nombres de Froude très bas, la formation de vagues n’a pratiquement pas lieu. Mais le bulbe étant toujours sous la ligne de flottaison, il augmente la surface mouillée totale du navire, contribuant ainsi à l’augmentation de sa résistance au frottement de la peau.
À vous de jouer?
En savez-vous plus sur l’importance de la proue à bulbe des navires ?
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