Soutenance mémoire
Histoire et pratiques de l’aviron
Les Egyptiens utilisaient au XIXème siècle av. J.-C des bateaux à mode de propulsion hybride (voiles et rames) pour leur marine marchande. Une des traces les plus anciennes de l’usage de la rame est une inscription funéraire remontant à 1430 av. J.-C. où les qualités de rameurs d’Aménophis II sont portées aux nues. Au cours des dix siècles de leur domination de la Mer Méditerranée, les Grecs perfectionnèrent la navigation maritime pour faire prospérer leurs activités commerciales et coloniales. Ils faisaient notamment usage de trières, galères de combat avec 340 rames étagées sur trois rangs, avec un rameur par rame. Une photographie d’un modèle en bois de trière grecque exposée au Deutsches Museum à Munich est donnée en Figure 1.1(a) page suivante. A l’époque, les rameurs étaient déjà assis et glissaient à l’aide d’un coussin enduit de graisse sur un banc lisse, pieds au même niveau que celui-ci, permettant d’obtenir un mouvement ample par fléchissement des jambes et de diminuer l’encombrement vertical. Les Romains, Byzantins et Vikings continuèrent d’utiliser les mêmes types de bâtiments, avec des bateaux de tailles plus ou moins grandes, et en augmentant dans certains cas le nombre de rameurs par rame. Plus tard, au XVIème siècle, l’Invincible Armada comptait jusqu’à 40 galères de 220 rameurs chacune et contribua à l’extension de l’Empire espagnol. Les rameurs étaient des prisonniers anglais et des condamnés de droit commun, contrairement aux civilisations antiques qui utilisaient et payaient des hommes libres.
Jusqu’aux Temps Modernes, la pratique de l’aviron servait donc essentiellement à des fins belliqueuses et commerciales. Certaines courses font tout de même exception à ce constat. Par exemple, dans l’Enéide, Virgile mentionne que l’aviron faisait partie des jeux funéraires organisés par Enée en l’honneur de son père [20]. En outre, la régate (orthographe originale regata) reconnue comme la première se déroula en 1315 à Venise [158]. Les premières épreuves sportives modernes remontent au XVIIIème siècle. La Doggett’s Coat and Badge est la première régate de cette nouvelle ère et est tenue chaque année depuis 1715. Il s’agit d’une course entre rameurs de taxi fluvial sur la Tamise entre le London Bridge et le Cadogan Pier à Chelsea . De plus en plus de courses d’aviron se tinrent au XVIIIème siècle puis ce sport se développa dans les pays anglosaxons (Angleterre, USA, Canada) au XIXème siècle, bien qu’il fût réservé à une élite. Il existe des rivalités sportives entre écoles ou universités et des courses annuelles ont lieu : depuis 1829 entre Cambridge et Oxford (Angleterre) et depuis 1852 entre Harvard et Yale (USA). En France, cette pratique, tout d’abord appelée canotage, se popularisa dans les années 1830-1840. Cependant, elle souffrait de l’antagonisme entre le canotage tape-à-l’oeil et le canotage élitiste, pratiqué par les aristocrates et à l’origine du mouvement sportif. Pour se dissocier de cette première forme, des sociétés sont créées dans plusieurs villes et ont pour but de réglementer divers aspects du sport: nombre de rameurs par classe de bateau, matériaux ou principe des courses. Ces efforts ne sont pas vains car ce sport est présent à l’Exposition Universelle de Paris en 1867 et fait de la ville la capitale de l’aviron. En 1890, la Fédération Française des Sociétés d’Aviron (FFSA) vit le jour . Puis, la Belgique, l’Italie, la Suisse et la France fondèrent la Fédération Internationale des Sociétés d’Aviron (FISA) en 1892 à Turin, en ayant notamment comme objectif de lutter contre la corruption qui existait via un système de paris sportifs. L’aviron intègre les Jeux Olympiques (JO), rénovés par le baron Pierre de Coubertin, également fondateur du Comité International Olympique (CIO), dès la première édition en 1896 mais les épreuves doivent être annulées pour cause de tempête. Depuis lors, l’aviron fut présent à tous les JO, comme à ceux de Londres en 2012 .
En 2017, la FISA rattache 151 fédérations nationales (une par pays) et régit la réglementation de ce sport. Il existe 101 règles dans le code des courses [61]. La première de ces règles est la suivante :
Règle FISA 1 : Aviron – Bateaux – Régates
L’aviron consiste dans la propulsion d’un bateau à tirant d’eau, avec ou sans barreur, par la force musculaire d’un ou de plusieurs rameurs utilisant des avirons comme leviers simples du deuxième degré, assis le dos dans la direction du mouvement du bateau. L’aviron comprend aussi la pratique d’un mouvement similaire sur une machine à ramer ou dans un tank à ramer. Dans un bateau d’aviron, tous les éléments porteurs, y compris les axes des éléments mobiles, doivent être fixés solidement au corps du bateau, mais le siège du rameur peut se déplacer dans l’axe du bateau. Une régate à l’aviron est une manifestation sportive consistant en une ou plusieurs épreuves, si nécessaire elles-mêmes composées de manches, disputées dans une ou diverses classes de bateaux par des rameurs répartis, en principe, en différentes catégories, selon leur sexe, leur âge ou leur poids.
Cette règle définit les grandes lignes de ce sport. L’esprit semble être de le démarquer des autres sports nautiques et d’exclure certains mécanismes. Le qualificatif à tirant d’eau indique que les embarcations ont une masse bien inférieure aux rameurs et il est aussi indiqué que ces derniers doivent constituer la seule source de propulsion du bateau, excluant ainsi une propulsion vélique ou motorisée. La règle montre bien la différence avec les sports de pagaie, comme le canoë ou le kayak. En effet, il est spécifié que les avirons sont des leviers du second ordre, c’est-à-dire que la force résultante sur la dame de nage (force de sortie) se trouve entre la palette immergée (point d’appui) et l’action du rameur sur l’aviron (force d’entrée). Pour les sports de pagaie, la force de sortie se trouve en extrémité . Par ailleurs, l’aviron a la particularité d’avoir un équipage évoluant le dos tourné vers l’avant de l’embarcation. Les membres inférieurs ont une grande part dans la cinématique et la transmission des efforts, celle-ci étant aidée par une assise coulissante. Il est d’ailleurs indiqué que la coulisse est la seule partie portante à pouvoir être mobile par rapport au bateau. En 1981, des portants mobiles ont été introduits et permettaient de compenser la perte de vitesse induite par l’inertie du rameur. Ce dispositif a été interdit l’année suivante car il était jugé trop onéreux et allait contre les valeurs d’universalité des sports olympiques. Dans certaines classes, un barreur est présent et a pour rôle de diriger le bateau. Il coordonne aussi la puissance et le rythme des rameurs. Les pagayeurs peuvent faire avancer le bateau avec une seule pagaie tout en corrigeant sa direction en pagayant alternativement à babord et tribord. Cela est impossible en aviron et il faut donc, quelle que soit l’embarcation, au moins un aviron de chaque côté.
Le matériel
Bien qu’il fait grande part aux qualités physiques et techniques des rameurs, l’aviron est un sport mécanique et, comme dans tous les sports du même type, la performance est inhérente de la qualité du matériel utilisé et donc de l’innovation technologique. Cependant, ce critère n’est pas le seul et dépend du niveau du rameur et du type de pratique qu’il souhaite faire. Ainsi un rameur débutant cherche plutôt à apprendre le geste et a besoin d’une bateau offrant de la stabilité, alors qu’un rameur élite préfère une coque très légère, rigide et fine.
Les bateaux
Matériaux
Les coques sont fabriquées avec plusieurs types de matériaux et de procédés. La conception doit se faire selon des critères en fonction de la pratique souhaitée, à savoir :
— légèreté : plus le bateau est léger et plus il est facile de le faire avancer. La FISA impose toutefois un poids minimal , afin de maintenir une équité sportive entre les participants.
— rigidité : une coque rigide assure une bonne transmission des efforts, en particulier au niveau de la planche de pied. Le coque étant en grande partie ouverte, il faut aussi s’assurer de la rigidité en torsion.
— optimisation des formes : une coque bien profilée minimise la résistance hydrodynamique.
— normes environnementales : « L’aviron est un sport qui se pratique en eau clair et propre ; la communauté de l’aviron joue un rôle important dans la gestion responsable et durable des ressources naturelles et physiques qui sont les conditions nécessaires à l’aviron. » (extrait des statuts et textes d’application officiels de la FISA).
— coût : fonction de la qualité finale, des matériaux, de la taille du bateau, etc.
— durabilité.
Le bois est le matériau historique en construction navale et les coques d’aviron furent pareillement construites avec cette matière jusque dans les années 1970. Seuls certains bateaux de loisir le sont encore, la plupart d’entre eux étant réalisés en matière plastique (polyéthylène). Les manufacturiers de bateaux d’aviron ont profité des matériaux et technologies développés par l’industrie aérospatiale. En montant en gamme, les bateaux sont alors réalisés en matériaux composites offrant à la fois légèreté et rigidité. Ils sont formés d’une matrice (résines polyesters, époxy, vinylester, etc.) et de renforts (fibres de verre ou de carbone). Le terme polymère à renfort fibre de carbone (PRFC) est employé pour désigner ces matériaux. Les embarcations en fibres de verre, moins coûteuses, sont utilisées pour le loisir ou l’entraînement alors que celles faites en fibres de carbone ou encore en Kevlar sont plutôt réservés pour la compétition. Les techniques les plus abouties mettent en œuvre des structures en sandwich de couches de fibres de carbone et de Kevlar enveloppant une âme en nid d’abeille qui permet une réduction de la masse. Cependant, la coque est susceptible d’être endommagée en cas de choc et un soin particulier doit être porté à tout moment (rangement, transport, mise à l’eau, etc.).
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Table des matières
Introduction générale
I Aviron et état de l’art
1 Présentation de l’aviron
1.1 Histoire et pratiques de l’aviron
1.2 Le matériel
1.2.1 Les bateaux
1.2.1.1 Matériaux
1.2.1.2 Classes
1.2.1.3 Eléments du bateaux
1.2.2 Les avirons
1.2.2.1 Eléments d’un aviron
1.2.3 Dame de nage
1.2.3.1 Rôle
1.2.3.2 Eléments de la dame de nage
1.2.4 Installation et appareils d’aide à l’entraînement
1.2.4.1 Installations
1.2.4.2 Appareils électroniques
1.3 Réglages
1.3.1 Réglage des avirons
1.3.2 Mise à plat du bateau
1.3.3 Réglage de l’entraxe
1.3.4 Réglage de la verticalité de l’axe de la dame de nage
1.3.5 Réglage de l’angle d’attaque
1.3.6 Réglage de la hauteur de nage
1.3.7 Réglage de la planche de pied
1.3.8 Réglages des rails
1.4 Le coup d’aviron
1.4.1 Phase de propulsion
1.4.1.1 L’attaque
1.4.1.2 La création de l’appui
1.4.1.3 La transmission
1.4.1.4 Le dégagé
1.4.2 Phase de retour
1.4.3 Cadence
1.4.4 Coordination inter-rameurs
1.5 Les compétitions
1.5.1 Les formats de course
1.5.2 La course en ligne
1.5.2.1 Le départ
1.5.2.2 Le train
1.5.2.3 L’enlevage
2 Etude bibliographique
2.1 Contexte de l’étude
2.2 Modélisation du système bateau-avirons-rameur(s)
2.2.1 Assimilation du rameur à une masse ponctuelle
2.2.2 Décomposition du rameur en plusieurs corps
2.2.3 Degrés de liberté du bateau
2.3 Modélisation des interactions fluide-structure
2.3.1 Modélisation des efforts hydrodynamiques sur la palette
2.3.1.1 Des essais aux modèles
2.3.1.2 Différentes configurations expérimentales
2.3.1.3 Simulation numérique de l’écoulement
2.3.2 Modélisation des efforts hydrodynamiques sur la carène
2.3.2.1 Modèles
2.3.2.2 Essais expérimentaux
2.3.2.3 Simulations numériques
2.3.3 Modélisation des efforts aérodynamiques
2.3.4 Modélisation de la flexibilité des avirons
2.3.4.1 Evaluation de la flexibilité dans les simulateurs
2.3.4.2 Couplage faible en IFS
2.3.4.3 Couplage fort en IFS
2.4 Bilan de l’étude bibliographique – Liens avec les objectifs de la thèse
II Modélisation des écoulements incompressibles 3D à surface libre et stratégie de réduction du temps CPU
3 Résolution des équations du fluide
3.1 Des lois de conservation à la formulation intégrale ALE des équations de NavierStokes
3.1.1 Dérivation selon un champ de vitesse quelconque
3.1.2 Formulation Volumes-Finis ALE des équations de Navier-Stokes
3.2 Modélisation, discrétisation et résolution de l’écoulement dans ISIS-CFD
3.2.1 Modélisation de la turbulence
3.2.2 Modélisation d’écoulements à surface libre
3.2.3 Discrétisation des équations
3.2.3.1 Localisation des variables, topologie des volumes de contrôle et
métriques
3.2.3.2 Discrétisation temporelle
3.2.3.3 Flux de vitesse de déplacement du maillage et loi de conservation géométrique
3.2.3.4 Traitement des équations de transport
3.2.3.5 Reconstruction centrée sur les faces
3.2.3.6 Reconstructions décentrées sur les faces : schémas de convection
3.2.4 Algorithme de couplage
3.2.4.1 Couplage vitesse-pression : de la contrainte d’incompressibilité
à l’équation de pression
3.2.4.2 Algorithme de résolution
3.2.5 Adaptation automatique de maillage
3.2.6 Implémentation informatique
4 L’algorithme de sub-cycling
4.1 Introduction
4.2 L’algorithme de sub-cycling
4.2.1 Principe
4.2.2 Estimation du facteur d’accélération
4.2.3 Méthode d’intégration temporelle
4.2.4 Résolution de la fraction volumique sur un sous-cycle
4.2.5 Boucle itérative interne à chaque sous-cycle
4.2.6 Reconstruction de la valeur interfaciale de fraction volumique
4.3 Adaptation en vue de l’utilisation du raffinement automatique de maillage
4.3.1 Raffinement de la fraction volumique aux faces
4.3.2 Raffinement de Fc
4.3.3 Particularités de l’usage de l’AGR avec l’algorithme de sub-cycling
4.4 Adaptation pour la prise en compte de la déformation de maillage
4.4.1 Définition du flux de vitesse de déplacement et réécriture de la LCG
4.4.2 Calcul des flux
4.4.2.1 Interpolation des métriques
4.4.2.2 Calcul de la composante de déformation du flux de vitesse de
déplacement – Première version
4.4.2.3 Calcul de la composante de déformation du flux de vitesse de
déplacement – Deuxième version
4.4.2.4 Composante rigide du flux de vitesse de déplacement
4.4.3 Calcul des volumes intermédiaires
5 Validations de l’algorithme de sub-cycling
5.1 Validation de la précision
5.1.1 Description du cas test : advection d’un carré creux
5.1.2 Simulations
5.1.2.1 Simulations préliminaires et influence du nombre de sous-cycles
5.1.2.2 Influence du nombre d’itérations internes
5.1.3 Conclusion partielle
5.2 Compatibilité avec l’AGR
5.2.1 Description du cas test : chute d’une colonne d’eau avec obstacle
5.2.1.1 Configuration
5.2.1.2 Procédure numérique
5.2.2 Simulations
5.2.2.1 Maillages fixes
5.2.2.2 Maillages avec raffinement automatique
5.2.3 Conclusion partielle
5.3 Compatibilité avec la déformation de maillage
5.3.1 Description du cas test : profil NACA 0012 immergé
5.3.1.1 Configuration
5.3.1.2 Procédure numérique
5.3.2 Simulations
5.3.2.1 Cas stationnaire
5.3.2.2 Cas instationnaire
5.3.3 Conlusion partielle
5.4 Cas tridimensionnel avec déformation de maillage
5.4.1 Introduction
5.4.2 Description du cas test : DTMB en embardée sinusoïdale
5.4.3 Simulations numériques
5.4.3.1 Maillage grossier
5.4.3.2 Maillage fin
5.4.3.3 Temps de calcul
5.4.4 Conclusion partielle
5.5 Bilan sur l’algorithme de sub-cycling
III Modélisation et simulations de l’écoulement autour de la palette
6 Présentation de la démarche
6.1 Objectifs
6.1.1 Objectif principal
6.1.2 Objectifs à terme
6.1.3 Représentation fidèle de l’écoulement dans tous ses aspects
6.1.3.1 Instationnarité de l’écoulement
6.1.3.2 Ecoulement à surface libre
6.1.3.3 Cinématique de la palette
6.1.3.4 Discrétisation de la palette
6.1.3.5 Flexibilité du manche de l’aviron
6.1.3.6 Paramètres et modèles physiques pour la résolution
6.1.4 Approche complémentaire expérimental–numérique
6.1.4.1 Conditions in situ
6.1.4.2 Conditions ex situ
6.2 Schématisation des configurations d’essai
7 Interaction fluide–structure (IFS)
7.1 Algorithmes de couplage pour l’IFS et stratégies de convergence des simulations
7.1.1 Généralités
7.1.2 Formulation du problème d’IFS
7.1.2.1 Le problème fluide
7.1.2.2 Le problème structure
7.1.2.3 Le problème couplé
7.1.3 Algorithmes de couplage
7.1.3.1 Approche monolithique
7.1.3.2 Approche partitionnée
7.1.3.3 Choix d’une méthode de couplage
7.1.4 La masse ajoutée
7.1.4.1 Définition
7.1.4.2 Calcul et approximation de l’opérateur de masse ajoutée
7.1.5 Stabilisation des couplages partitionnés
7.1.5.1 Influence des effets inertiels sur la stabilité du couplage IFS
7.1.5.2 Utilisation d’un opérateur de masse ajoutée
7.1.5.3 Interprétation en terme de relaxation
7.1.5.4 Lien entre Jacobien des efforts fluides et masse ajoutée
7.2 Modèles de flexion de l’aviron
7.2.1 Approche idéalisée
7.2.1.1 Hypothèses
7.2.1.2 Efforts sur la poutre
7.2.1.3 Repère
7.2.1.4 Calcul des actions aux appuis
7.2.1.5 Zones de la poutre
7.2.1.6 Choix d’une base locale dans chaque zone
7.2.1.7 Expression du torseur de cohésion dans chaque zone
7.2.1.8 Calcul des déflexions linéaire et angulaire
7.2.2 Mise en défaut de l’approche idéalisée
7.2.2.1 Recherche du centre de poussée hydrodynamique en 2D
7.2.2.2 Recherche du centre de poussée hydrodynamique en 3D
7.2.2.3 Recherche du centre de poussée hydrodynamique à l’aide de résultats de simulations numériques
Conclusion générale
