Poste de doctorat : Etudes expérimentales et numériques de l’interaction bateau-voies navigables avec des expériences analogues et en bassins de remorquage

Au CNRS, sur le site du Futuroscope, l’équipe Curiosité de l’institut Pprime souhaite recruter un doctorant dans le cadre d’une collaboration avec les Voies Navigables de France (VNF) et le Laboratoire de Mathématiques et Applications (LMA) de Poitiers afin étudier la navigation en milieu confiné dans une perspective d’interaction fluide-structure. En complément d’un projet postdoctoral en cours portant sur une revisite des travaux théoriques sur les effets du confinement hydraulique et ondulatoire pour un bateau fluvial interagissant avec l’ouvrage (typiquement un canal trapézoïdal), nous souhaitons désormais nourrir les études théoriques par des expérimentations pour filtrer les modèles ainsi que d’orienter les modélisateurs vers les modèles pertinents en raison des lacunes dans la compréhension des phénomènes révélées par l’analyse de la littérature et que les expérimentations pourraient combler.

Par exemple, un des enjeux consiste à déterminer la vitesse critique d’un bateau fluvial correspondant à l’apparition de phénomènes de confinement hydraulique qui se traduisent par un courant de retour autour de la coque du navire, une variation du niveau du plan d’eau, une modification de la résistance à l’avancement du navire en fonction de la géométrie de la voie navigable, de sa rugosité de pente ou de la présence d’un courant, des caractéristiques de l’architecture navale du bateau comme le coefficient de blocage ou de frottement sur la coque [1, 2].

Le travail du post-doctorant théorique en soutien à la future thèse a été d’abord bibliographique sur la base d’un état de l’art fourni par VNF des théories scientifiques disponibles dans le domaine des voies navigables. Le consortium ainsi formé entre Pprime, le LMA et VNF ​​s’emploie depuis à étendre les théories sur la navigation en milieu confiné de la littérature en supprimant les simplifications et les imprécisions et, en tentant de les unifier dans une théorie complète intégrant les connaissances pratiques ainsi que formulations de type ingénierie avec un travail en mathématiques appliquées sur les calculs de résistance à l’avancement du navire pour arriver à une formulation analytique de l’ensemble pouvant servir de base opérationnelle.

Une analogie entre le comportement théorique d’un écoulement au-dessus d’un obstacle de fond occupant toute la largeur du chenal et l’approche dite énergétique de la navigation en milieu confiné a également été découverte indépendamment par l’équipe Pprime dans le cadre d’une autre étude d’un projet expérimental. nature sur les régimes hydrodynamiques (hydraulique + dispersif) des écoulements sous-critiques et transcritiques inhomogènes (Figure 1). Avec cette ressemblance qui permet de calculer dans les deux cas une vitesse critique d’entrée dans le régime transcritique (avec pour conséquence une augmentation de la résistance à l’avancement du navire dans le cas fluvial), il apparaît donc naturel de tenter de généraliser la résultats du confinement latéral total (l’obstacle/bateau occupe toute la largeur du chenal) au confinement latéral partiel (l’obstacle/bateau n’occupe pas toute la largeur du chenal) puis sectionnel partiel (un obstacle de fond inversé = un obstacle sur le surface = un bateau). Trois nombres sans dimension permettent de caractériser les 2 situations :
– le rapport entre le tirant d’eau du bateau ou la hauteur de l’obstacle avec la hauteur d’eau dans le canal : T/h
– le rapport entre le bau du bateau ou la largeur de l’obstacle avec la largeur du canal : B/W
– le rapport des sections du bateau ou de la section de l’obstacle à la section du canal : m=Ab/Ac

Nous proposons donc un sujet de thèse combinant expérimentations d’interactions fluide-structure dans les canaux de l’Institut Pprime et modélisation théorique/numérique. Sur le plan expérimental, le doctorant recruté caractérisera les régimes d’écoulement autour et au dessus d’un obstacle de fond fixe qui n’occupe pas toute la largeur du chenal en position centrale puis excentrique (le bateau analogique se rapproche des berges) par rapport à un canal à surface libre de 3 m de long avec une section de canal de forme rectangulaire/trapézoïdale/triangulaire/toute forme géométrique. Ensuite l’obstacle sera retourné et fixé sur un vérin vertical : une classification des écoulements autour de l’obstacle qui est d’abord rigide puis laissé tanguer et/ou marteler sera recherchée. Enfin, une mise à l’échelle dans le bassin d’essais de coque de 30 m de long de la plateforme PHE de l’Institut Pprime (plateforme hydrodynamique environnementale : https://pprime.fr/la-recherche/fluides-thermique-combustion/plateforme-… ) permettra être effectuée pour compliquer la situation par rapport au cas modèle de l’obstacle dans un écoulement (Figure 2). Des obstacles de fond conçus par impression 3D avec différentes géométries (continues et discontinues, voir Figure 2) et rapports d’aspect seront étudiés. Des modèles de bateaux avec différents coefficients de bloc seront utilisés.

Au niveau métrologique, des méthodes de caractérisation de surfaces en interaction fluide-structure seront mises en œuvre complétées par des mesures de courants autour de l’objet (obstacle ou bateau) par vélocimétrie par image de particules (Figure 2) dans le cadre de la plateforme CEMOP de l’Institut Pprime ( https : //www.univ-poitiers.fr/accompagner-les-entreprises/innover/platef… ).

Une modélisation prenant en compte les effets hydrauliques dans l’axe du bateau et incluant les forces des vagues (efforts horizontaux, verticaux et couple) sera mise en œuvre en s’inspirant des modèles de navigation fluviale présents dans la littérature. La justification de ces modèles fait l’objet de recherches en mathématiques appliquées [3] menées en parallèle au LMA dans le cadre de la collaboration avec VNF. Ces derniers reposent sur une connexion de modèles hydrauliques (près du bateau) et de modèles dispersifs (loin du bateau).

Les résultats feront l’objet, outre les rapports d’avancement pour VNF, de publications scientifiques internationales cosignées VNF/Pprime/LMA. Le poste est situé dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que l’arrivée de la personne recrutée soit autorisée par l’autorité compétente du MESR.

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*Bibliographie* :
[1] P.-J . Pompée, « À propos de la modélisation de la résistance, de la propulsion et de l’interaction des navires de navigation intérieure – voie navigable Paramètres clés déterminant les effets des eaux restreintes/peu profondes » – Actes de Smart Rivers, Buenos Aires, 7-11 septembre (2015).
http://www.pianc.org.ar/_stage/pdf/papers_sr2015/180_paper_Pompee_FRA.p…
[2] Thèse de Clément Caplier, Université de Poitiers, 01/11/2015 – 05/12/2015.
Sujet : Etude expérimentale des effets de hauteur d’eau finie, de confinement latéral et de courant sur les sillages et la résistance à l’avancement des navires.
http://www.theses.fr/2015POIT2315
[3] J. Dambrine, M. Pierre, Régularité des formes optimales de navires basée sur la résistance aux vagues de Michell, Mathématiques appliquées et optimisation, 82, pages 23-62 (2020).
https://hal.science/hal-01383229v2/file/DPregularity_preprintv3.pdf

Le recrutement est proposé par l’Institut Pprime dans le département de recherche “Fluides, Chaleur et Combustion” de l’équipe CURIOSITY sous la direction du chef d’équipe Germain ROUSSEAUX :

La thèse sera co-encadrée par Germain Rousseaux, Directeur de recherche HDR CNRS (Institut Pprime) et Julien Dambrine, Maître de Conférences à l’Université de Poitiers (LMA).