NAVIRESHydrodynamique navale

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Résistance à la marche et dessin des formes de la carène

Si l'étude de la résistance à la marche – c'est-à-dire l'étude des forces qui s'opposent au mouvement d'avance du navire – a constitué pratiquement pendant de nombreuses années l'unique chapitre de l'hydrodynamique navale, elle demeure encore aujourd'hui fondamentale car elle conditionne très largement le choix des formes de la carène.

Les composantes de la résistance ; la « méthode des modèles »

Mise à part la traînée des superstructures, relativement faible (2 à 3 p. 100 du total) et d'ailleurs facile à calculer compte tenu du fait qu'il s'agit de corps à arêtes vives, ces forces ont essentiellement deux causes : la présence d'une surface libre d'une part, la viscosité de l'eau d'autre part. Avec une bonne approximation on peut admettre – hypothèse de Froude – que ces deux causes sont indépendantes.

La « résistance de vagues » Rw est sous la dépendance du nombre de Reech-Froude F = V/√gL (où g représente l'accélération de la pesanteur, L la longueur du navire et, V sa vitesse), ce qui signifie que, à F donné, le coefficient de résistance de vagues Rw/Δ (avec Δ le déplacement du navire) ou Cw = Rw/(1/2)ρSV2 (ou ρ représente la masse volumique de l'eau, S une surface de référence appelée surface mouillée de la carène) est le même pour deux carènes semblables.

La « résistance visqueuse » Rv dépend de son côté du nombre de Reynolds R = VL/ν (ν est la viscosité cinématique de l'eau égale à 1,1 . 10—6 m2/s) et de la rugosité relative de la carène qu'on caractérise par un rapport k/L, où k est le diamètre des grains de sable qui, collés sur la carène, produiraient le même effet que la rugosité réelle.

Au total, le coefficient de résistance hydrodynamique est de la forme :

Pour prévoir la résistance hydrodynamique d'un navire, on procède en général à des essais sur modèle réduit. Il faut en principe réaliser à cet effet l'égalité, pour le modèle (m) et pour le navire (s), des paramètres sans dimension F, R et k/L ; mais on s'aperçoit immédiatement que les trois conditions correspondantes sont impossibles à réaliser simultanément, à moins évidemment de travailler à l'échelle 1 !

Pour passer outre à cette impossibilité théorique, on a recours à un artifice dû à Froude : on se place en similitude de Reech-Froude (Fm = Fs, d'où Cwm = Cws) et l'on fait une correction pour tenir compte de la non-égalité des nombres de Reynolds du modèle et du réel. On a alors Chs = Chm — (Cvm — Cvs). La « correction de frottement » qui permet de passer de Chm à Chs est négative compte tenu que Rm < Rs ; elle est, en valeur absolue, comprise entre 0,15 et 0,25 Cvm.

Ordre de grandeur de la résistance à la marche

La figure 1 fournit, pour les navires classiques de surface, l'ordre de grandeur de leur résistance hydrodynamique « spécifique » Rh/Δ et la part prise par la résistance de vagues dans cette résistance hydrodynamique, en fonction du nombre de Reech-Froude F d'utilisation. On notera l'influence considérable de F sur la résistance : Rh/Δ est par exemple cent fois plus grand en moyenne pour une vedette que pour un pétrolier.

Résistance hydrodynamique de navires

Dessin : Résistance hydrodynamique de navires

Résistance hydrodynamique spécifique Rh/▵ de navires de types divers en fonction de leur nombre de Reech-Froude &RondF; d'utilisation (a). Part prise par la résistance de vagues Rw dans cette résistance hydrodynamique (b). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La résistance des sous-marins en surface est, à F donné, sensiblement plus grande que celle qui est indiquée par la figure 1. Cela tient à ce que les sous-marins modernes, avant tout dessinés pour la navigation en plongée, sont de médiocres navires de surface. En plongée profonde, en revanche, leur résistance de vagues est nulle ; seule subsiste alors la résistance visqueuse.

Résistance hydrodynamique de navires

Dessin : Résistance hydrodynamique de navires

Résistance hydrodynamique spécifique Rh/▵ de navires de types divers en fonction de leur nombre de Reech-Froude &RondF; d'utilisation (a). Part prise par la résistance de vagues Rw dans cette résistance hydrodynamique (b). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Transports : navigation sous-marine

Vidéo : Transports : navigation sous-marine

Comment un sous-marin entre en plongée et remonte à la surface ?Les sous-marins modifient leur poids grâce à un système de ballasts qui peuvent contenir de l'air ou de l'eau.Avec ses ballasts remplis d'air, le sous-marin a une densité moindre que l'eau qui l'environne et peut ainsi flotter,... 

Crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

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La résistance des navires rapides non classiques, hydroptères ou aéroglisseurs marins, est difficile à analyser dans les mêmes termes.

Aéroglisseur

Photographie : Aéroglisseur

Un hovercraft, navire sur coussin d'air, rentre au port. 

Crédits : Triple H Images/ Shutterstock.com

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Résistance visqueuse. Importance de l'état de surface de la carène

Comme on l'a vu plus haut, la connaissance de la résistance visqueuse est nécessaire pour pouvoir appliquer la méthode des modèles mais, malgré les progrès réalisés dans le calcul des couches limites tridimensionnelles, il est encore assez rare qu'on effectue un véritable calcul complet de l'écoulement autour d'une carène de forme quelconque ; on a donc recours ici encore à des approximations, d'autant plus justifiées d'ailleurs que le coefficient Cv de résistance visqueuse n'intervient en fait que par la différence des valeurs qu'il prend pour le navire et pour le modèle.

Pratiquement, la résistance visqueuse de la carène est celle d'une plaque plane rugueuse qui aurait même longueur et même surface mouillée, multipliée par un coefficient de forme compris entre 1,05 (n [...]

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Résistance hydrodynamique de navires

Résistance hydrodynamique de navires
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Transports : navigation sous-marine

Transports : navigation sous-marine
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Aéroglisseur

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Résistance aux vagues d'un navire rapide

Résistance aux vagues d'un navire rapide
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Écrit par :

  • : ingénieur général de l'armement (génie maritime), expert agréé par la Cour de cassation, membre de l'Académie de marine

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Pour citer l’article

Serge BINDEL, « NAVIRES - Hydrodynamique navale », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 13 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/navires-hydrodynamique-navale/