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Jan 17, 2024

Évaluation expérimentale de l'effet des paramètres de positionnement et de fonctionnement sur les performances d'une surface

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 18566 (2022) Citer cet article 913 Accès aux détails des métriques Aujourd'hui, les hélices perçant la surface ont été reconnues comme un choix approprié pour des

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18566 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Aujourd'hui, les hélices perforantes sont reconnues comme un choix approprié pour des vitesses plus élevées. Pourtant, le développement d’algorithmes de conception à cet effet a été remis en question par le manque de connaissances sur les paramètres affectant leurs performances. Pour cette raison, développer des données expérimentales et étudier l’influence de différents paramètres sur leurs performances est crucial. Visant à développer les connaissances expérimentales de ces hélices, cette étude étudie l'impact des paramètres de position et du nombre de Froude sur les résultats des tests sur modèle d'une hélice conçue sur mesure. De plus, le développement du sillage de ventilation à différents nombres de Froude a été étudié. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence l'impact favorable d'un taux d'immersion accru sur la poussée de l'hélice, un impact positif de l'augmentation de l'angle d'inclinaison de 6° sur une poussée et une efficacité plus élevées dans la direction d'avance, et une légère augmentation de la poussée avec des angles de lacet plus élevés jusqu'à 10. °. Les forces latérales de l'hélice ont également été extraites dans différentes positions et conditions opérationnelles pour identifier le comportement de l'hélice et concevoir l'arbre et les supports requis. Enfin, les équations de régression pour projeter les coefficients hydrodynamiques utilisées lors de la phase de conception ont été comparées et vérifiées par les résultats expérimentaux. Les résultats ont souligné la précision insuffisante de ce modèle pour estimer les coefficients hydrodynamiques affectant l'hélice.

L'idée d'utiliser des systèmes d'entraînement de surface et des hélices perforantes (SPP) a été initiée pour la première fois pour la propulsion des bateaux à faible tirant d'eau1, car le processus d'augmentation de la vitesse des hélices conventionnelles entraîne deux facteurs néfastes dans les performances de l'hélice : (1) la cavitation, qui est largement défavorable, et comme il ne peut être ignoré aux vitesses élevées, le phénomène de supercavitation sur la surface d'aspiration de la pale est pris en compte. Cette solution a permis d'éviter l'impact négatif des microbulles mais a en même temps diminué l'efficacité de l'hélice en limitant la pression derrière la pale à la pression de vapeur de cavitation ; et (2) à grande vitesse, la force de traînée hydrodynamique est augmentée sur la structure de protection et l'arbre de l'hélice, ce qui réduit ainsi l'efficacité du système. Afin de résoudre ces problèmes, les concepteurs de bateaux à grande vitesse ont modifié la position d'installation de l'hélice de manière à ce que la ligne d'arbre soit alignée avec la ligne de tirant d'eau du navire. Ici, chaque pale tourne à l'interface entre l'eau et l'air, assurant ainsi le phénomène de ventilation à l'arrière de la pale qui empêche la cavitation. Dans ce système de propulsion, une partie de l'hélice est le seul composant à entrer en contact avec l'eau, ce qui réduit considérablement la résistance des pièces du système2. De cette manière, la vitesse finale et l’efficacité augmentent tout en diminuant la consommation de carburant. D'autres avantages de l'utilisation d'hélices perçant la surface incluent une capacité de transport plus élevée par unité de puissance, la possibilité d'augmenter le diamètre de l'hélice en raison de sa distance par rapport à la poupe et des angles d'arbre flexibles, qui contrôlent la portance et la force latérale, ce qui permet une meilleure maniabilité.

Malgré les avantages mentionnés de tels systèmes de propulsion, les chercheurs ont été gênés par la physique complexe et l'écoulement multiphasique autour des hélices pour obtenir une compréhension complète de l'impact des différents paramètres sur leurs performances et ainsi concevoir une méthode standard (similaire à celles développé pour les hélices conventionnelles) pour concevoir leurs géométries en fonction des performances souhaitées. Une telle connaissance insuffisante entraînerait des coûts supplémentaires. Les informations publiées sur les hélices perforantes ne couvrent que des géométries limitées et ne sont pas entièrement accessibles en raison du champ d'application limité. Tous les efforts visant à concevoir de telles hélices ont nécessité un processus d'essais et d'erreurs ou ont suivi les études expérimentales menées jusqu'à présent3.