Arc à bulbe - Bulbous bow
Une proue à bulbe est un bulbe saillant à la proue (ou à l'avant) d'un navire juste en dessous de la ligne de flottaison . L'ampoule modifie la façon dont l'eau s'écoule autour de la coque , réduisant la traînée et augmentant ainsi la vitesse, l'autonomie, l'efficacité énergétique et la stabilité. Les grands navires à proue bulbeuse ont généralement un rendement énergétique de douze à quinze pour cent supérieur à celui des navires similaires sans eux. Une proue à bulbe augmente également la flottabilité de la partie avant et réduit ainsi le tangage du navire dans une faible mesure.
Les navires à haute énergie cinétique , qui est proportionnelle à la masse et au carré de la vitesse, bénéficient d'une étrave à bulbe conçue pour leur vitesse de fonctionnement ; cela inclut les navires à masse élevée (par exemple les superpétroliers ) ou à grande vitesse de service (par exemple, les navires à passagers et les cargos ). Les navires de masse inférieure (moins de 4 000 tpl ) et ceux qui naviguent à des vitesses plus lentes (moins de 12 kts ) ont un avantage réduit des étraves bulbeuses, en raison des remous qui se produisent dans ces cas; les exemples incluent les remorqueurs, les bateaux à moteur, les voiliers et les petits yachts.
Les étraves à bulbe se sont avérées plus efficaces lorsqu'elles sont utilisées sur des navires qui remplissent les conditions suivantes :
- La longueur de la ligne de flottaison est supérieure à environ 15 mètres (49 pieds).
- La conception de l'ampoule est optimisée pour la vitesse de fonctionnement du navire.
Principe sous-jacent
- Profil d'arc avec ampoule
- Profil d'arc sans bulbe
- Vague créée par ampoule
- Vague créée par un arc conventionnel
- Ligne de flottaison et région des vagues annulées
L'effet de l'étrave bulbeuse peut être expliqué en utilisant le concept d' interférence destructive des vagues :
Un arc de forme conventionnelle provoque une vague d'étrave . Un bulbe à lui seul force l'eau à s'écouler vers le haut et au-dessus, formant un creux. Ainsi, si un bulbe est ajouté à une proue conventionnelle à la bonne position, le creux du bulbe coïncide avec la crête de la vague de proue, et les deux s'annulent, réduisant le sillage du navire . Tout en induisant un autre flux de vagues sape l'énergie du navire, l'annulation du deuxième flux de vagues à la proue modifie la répartition de la pression le long de la coque, réduisant ainsi la résistance des vagues. L'effet que la distribution de pression a sur une surface est connu sous le nom d' effet de forme .
Un arc pointu sur une forme de coque conventionnelle produirait des vagues et une faible traînée comme un arc à bulbe, mais les vagues venant du côté le frapperaient plus fort. L'étrave bulbeuse émoussée produit également une pression plus élevée dans une grande région à l'avant, ce qui fait que la vague d'étrave commence plus tôt.
L'ajout d'un bulbe à la coque d'un navire augmente sa surface mouillée globale. À mesure que la zone mouillée augmente, la traînée augmente également. À des vitesses plus élevées et dans des navires plus grands, c'est la vague d'étrave qui est la plus grande force empêchant le mouvement vers l'avant du navire dans l'eau. Pour un navire de petite taille ou qui passe une grande partie de son temps à faible vitesse, l'augmentation de la traînée ne sera pas compensée par l'avantage d'amortir la génération des vagues d'étrave. Comme les effets du compteur de vagues ne sont significatifs qu'à la plage de vitesse plus élevée du navire, les étraves bulbeuses ne sont pas économes en énergie lorsque le navire navigue en dehors de ces plages, en particulier à des vitesses inférieures.
Les arcs bulbeux peuvent être configurés différemment, en fonction de l'interaction conçue entre l'onde d'étrave et la contre-onde du bulbe. Les paramètres de conception comprennent a) la courbure vers le haut (une ampoule « bélier ») par rapport à l'avant (une ampoule « enflée »), b) la position de l'ampoule par rapport à la ligne de flottaison et c) le volume de l'ampoule. Les étraves bulbeuses diminuent également le mouvement de tangage d' un navire , lorsqu'elles sont lestées, en augmentant la masse à une distance éloignée du centre de gravité longitudinal du navire.
Développement
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Des tests de remorquage de navires de guerre avaient démontré qu'une forme de bélier sous l'eau réduisait la résistance dans l'eau avant 1900. Le concept d'étrave à bulbe est attribué à David W. Taylor , un architecte naval qui a servi comme constructeur en chef de la marine des États-Unis pendant la Première Guerre mondiale. guerre et qui a utilisé le concept (appelé avant - pied en forme de bulbe) dans sa conception de l' USS Delaware , qui est entré en service en 1910. la conception de l' arc ne bénéficie pas d' abord une large acceptation, mais il a été utilisé dans le Lexington de la battlecruiser à grand succès après que les deux navires de cette classe qui ont survécu au traité naval de Washington aient été convertis en porte-avions . Ce manque d'acceptation a changé dans les années 1920, avec le lancement par l'Allemagne de Brême et d' Europe . On les appelait les lévriers allemands de l'Atlantique Nord, deux grands paquebots commerciaux qui se disputaient le trafic transatlantique de passagers. Les deux navires ont remporté le très convoité Blue Riband , Brême en 1929 avec une vitesse de traversée de 27,9 nœuds (51,7 km/h; 32,1 mph) et Europa la surpassant en 1930 avec une vitesse de traversée de 27,91 nœuds.
La conception a commencé à être incorporée ailleurs, comme dans les paquebots SS Malolo , SS President Hoover et SS President Coolidge construits aux États-Unis , lancés à la fin des années 1920 et au début des années 1930. Pourtant, l'idée a été considérée comme expérimentale par de nombreux constructeurs et propriétaires de navires.
En 1935, le superliner français Normandie a été conçu par Vladimir Yurkevich combinant un avant-pied bulbeux avec une taille massive et une forme de coque redessinée. Elle était capable d'atteindre des vitesses supérieures à 30 nœuds (56 km/h). Normandie était célèbre pour beaucoup de choses, y compris son entrée propre dans l'eau et sa vague d'étrave nettement réduite. Le grand rival du Normandie , le paquebot britannique Queen Mary , a atteint des vitesses équivalentes en utilisant la conception traditionnelle de l'étrave et de la coque. Cependant, une différence cruciale était que Normandie a atteint ces vitesses avec environ trente pour cent moins de puissance du moteur que Queen Mary et une réduction correspondante de la consommation de carburant.
Des conceptions d'arc à bulbe ont également été développées et utilisées par la marine impériale japonaise . Une proue à bulbe modeste a été utilisée dans un certain nombre de leurs conceptions de navires, y compris le croiseur léger Ōyodo et les porte-avions Shōkaku et Taihō . Une solution de conception d'étrave bulbeuse beaucoup plus radicale a été incorporée dans leur cuirassé de classe Yamato massivement grand , y compris Yamato , Musashi et le porte-avions Shinano .
L'arc bulbeux moderne a été développé par le Dr Takao Inui à l' Université de Tokyo dans les années 1950 et 1960, indépendamment de la recherche navale japonaise. Inui a basé ses recherches sur des découvertes antérieures faites par des scientifiques après que Taylor ait découvert que les navires équipés d'un avant-pied bulbeux présentaient des caractéristiques de traînée nettement inférieures à celles prévues. Le concept d'arc bulbeux a d'abord été définitivement étudié par Thomas Havelock, Cyril Wigley et Georg Weinblum, y compris l'ouvrage de 1936 de Wigley "The Theory of the Bulbous Bow and its Practical Application" qui examinait les problèmes de production et d'amortissement des vagues. Les premiers articles scientifiques d'Inui sur l'effet de l'arc bulbeux sur la résistance aux vagues ont été rassemblés dans un rapport publié par l' Université du Michigan en 1960. Son travail a attiré l'attention avec son article "Wavemaking Resistance of Ships" publié par la Society of Naval Architectes et ingénieurs de marine en 1962. Il a finalement été découvert que la traînée pouvait être réduite d'environ cinq pour cent. L'expérimentation et le raffinement ont lentement amélioré la géométrie des arcs bulbeux, mais ils n'ont pas été largement exploités jusqu'à ce que les techniques de modélisation informatique permettent aux chercheurs de l' Université de la Colombie-Britannique d'augmenter leurs performances à un niveau pratique dans les années 1980.
Considérations sur la conception
Les arcs bulbeux présentent les caractéristiques suivantes :
- Forme dans le sens de la longueur
- La Coupe transversale
- Longueur de la projection vers l'avant
- Position de l'axe de la forme (par exemple vers l'avant ou vers le haut)
Alors que le but principal de ces ampoules est de réduire la puissance nécessaire pour conduire un navire à sa vitesse de fonctionnement, leurs caractéristiques de tenue en mer sont également importantes. Les caractéristiques de houle d'un navire à sa vitesse de fonctionnement se reflètent dans son nombre de Froude . Un concepteur de navire peut comparer la longueur à la ligne de flottaison pour une conception avec et sans ampoule nécessaire pour alimenter le navire à sa vitesse de fonctionnement. Plus la vitesse est élevée, plus l'avantage de l'étrave à bulbe est important en diminuant la nécessité d'une ligne de flottaison plus longue pour atteindre la même puissance requise. Les ampoules sont généralement en forme de V sur le fond pour minimiser les claquements dans une mer agitée.
Dômes sonar
Certains navires de guerre spécialisés dans la lutte anti-sous-marine utilisent une ampoule de forme spécifique comme boîtier hydrodynamique pour un transducteur sonar , qui ressemble à une proue à bulbe mais les effets hydrodynamiques ne sont qu'accessoires. Le transducteur est un grand cylindre ou une sphère composée d'un réseau phasé de transducteurs acoustiques . L'ensemble du compartiment est inondé d'eau et la fenêtre acoustique de l'ampoule est en plastique renforcé de fibres ou en un autre matériau (comme le caoutchouc ) transparent aux sons sous-marins lorsqu'ils sont transmis et reçus. L'ampoule du transducteur place l'équipement sonar à la plus grande distance possible du système de propulsion générateur de bruit du navire.