Modélisation numérique et prévision de la manœuvre et de l’hydrodynamique des navires lors du transport par voie navigable

Dans cette thèse, l'hydrodynamique des navires lors du transport par voies navigables et des manœuvres sont étudiées à l'aide de la CFD (Computational Fluid Dynamics) basée sur OpenFoam. Des études de validation et de vérification sont réalisées pour la convergence de maillage, la convergence de pas de temps, la sensibilité aux modèles de turbulence et les techniques de maillage dynamique. Un solveur de mouvement 6DoF basé sur quaternion est mis en œuvre pour les prédictions d'assiette et d'enfoncement. Les effets environnementaux sur plusieurs bateaux de navigation intérieure (convoi 1, convoi 2, automoteur) sont étudiés à l'aide de modèles numériques validés. Trois aspects importants sont simulés: l'effet de confinement de la voie navigable, le croissement et l'interaction bateau-pile de pont. Les conditions d’essai couvrent un large éventail, y compris les différentes dimensions du canal, la profondeur de l’eau, le tirant d'eau et la vitesse. La résistance du navire, le type de vague, l’angle de Kelvin et l’élévation de la vague à des positions spécifiques sont étudiés en fonction de ces paramètres. La manœuvre des navires est étudiée à l’aide de tests de modèles captifs virtuels basés sur le modèle MMG (Mathematical Maneuvering Group). Un disque d'actionneur est implémenté pour remplacer l'hélice réelle. Les tests d'un modèle KVLCC2 sont effectués pour obtenir les coefficients hydrodynamiques de l'hélice, du gouvernail et de la coque du navire. En utilisant les coefficients obtenus, des simulations de manœuvre sont effectuées et validées. Ces études reproduisent des tests de navires réels et prouvent ainsi la validité de nos modèles numériques. En conséquence, le solveur numérique est prometteur dans les simulations d'hydrodynamique des navires et d'ingénierie marine.In this thesis, the ship hydrodynamics during inland waterway transport and ship maneuvering are investigated using CFD (Computational Fluid Dynamics) based onOpenFoam. Validation and verification studies are carried out for the mesh convergence, time step convergence, sensitivity to turbulence models and dynamic mesh techniques. A quaternion-based 6DoF motion solver is implemented for the trim and sinkage predictions. Environmental effects on several inland vessels (convoy 1, convoy 2, tanker) are studied using the validated numerical models. Three important aspects, the confinement effect of the waterway, head-on encounter and ship-bridge pile interaction are simulated. The testing conditions cover a wide range, including various channel dimensions, water depths, ship draughts and speeds. The ship resistance, wave pattern, Kelvin angle and wave elevation at specific positions are investigated as functions of these parameters. Ship maneuvering is investigated using virtual captive model tests based on the MMG (Mathematical Maneuvering Group) model. An actuator disk is implemented to replace the real propeller. Open water test, rudder force test, OTT (Oblique Towing Tank test) and CMT (Circular Motion Test) of a KVLCC2 model are carried out to obtain the hydrodynamic coefficients of the propeller, rudder and ship hull. Using the obtained coefficients, system-based maneuvering simulations are carried out and validated using the free running test data. These studies reproduce real ship tests and thus prove the validity of our numerical models. As a result, the numerical solver is promising in ship hydrodynamics and marine engineering simulations