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Optimisation d’hydrofoils superventilants grâce à ANSYS Fluent, CADFEM et l’intelligence artificielle

2 février 2021

SP80 a pour but d’atteindre 80 nœuds (150 km/h) et ainsi battre le record du monde de vitesse à la voile, propulsé uniquement par le vent. Pour atteindre cet objectif, il faut repenser les codes habituels de la voile, notamment la partie hydrodynamique des appendices. Afin de tirer le meilleur des profils immergés, l’équipe de SP80 a mis en place une approche d’optimisation basée sur des essais en tunnel de cavitation couplés à des simulations numériques réalisés sur ANSYS Fluent, le tout alimenté par de l’intelligence artificielle grâce à Neural Concept. Tout au long du processus, CADFEM a conseillé les étudiants et ingénieurs en charge de ces simulations, au cœur de la quête pour le record.

La superventilation: un phénomène peu exploité

Les profils hydrodynamiques classiques en forme de goutte d’eau ont tendance à caviter aux alentours de 50 nœuds (95 km/h) : à ces vitesses, la baisse de pression est si forte que l’eau se met à bouillir sur l’extrados du profil. Ces bulles de vapeur engendrent instabilité, traînée et vibration, phénomènes freinant l’accélération jusqu’ à 150 km/h. Pour contourner ce problème, d’autres types de profils ont été imaginés dans les années 1950 d’abord principalement pour des applications militaires : les profils superventilants. En forme de triangle, ce type de profil permet à l’air issu de l’atmosphère de s’engouffrer du côté de l’extrados happé par la dépression, formant ainsi une grande bulle d’air stable qui va empêcher la cavitation de se former : on dit que le profil ventile. Bien que les performances à basses vitesses soient moins bonnes que celles d’un profil classique, il a l’avantage de permettre de pouvoir accélérer aisément et de manière stable jusqu’à 150 km/h. Une fois l’époque de la Guerre Froide terminée, les recherches sur ce type de profil se sont espacées d’où la nécessité pour SP80 de déterminer en interne la forme du profil optimal pour le record.

Valider le concept de manière empirique par des essais en kitesurf

Afin de s’assurer que ces profils superventilants constituaient bien une solution intéressante en vue du record du monde de vitesse à la voile, les cofondateurs de SP80 ont réalisé de nombreux essais en kitesurf, testant plus de 30 ailerons différents en l’espace de quelques mois. Ces essais ont permis de valider empiriquement le potentiel d’une telle solution. Benoit Gaudiot, kitesurfer, co-fondateur et pilote du bateau dit : “J’ai eu un réel sentiment de stabilité à haute vitesse. On a atteint plus de 40 nœuds (74 km/h) facilement et sans que je sois en train de me battre pour accélérer ou rester sur la planche. On a alors su qu’il y avait quelque chose à creuser de ce côté-là.”

Dialogue primordial entre expérimentation et simulation

Fort de cette expérience, la recherche pouvait alors commencer ! Il était primordial pour l’équipe de coupler essais numériques et expérimentaux afin de s’assurer de la concordance des résultats sur ces profils encore peu exploités. Des tests ont ainsi été réalisés en 2D dans le tunnel de cavitation du Laboratoire des Machines Hydrauliques (LMH) à l’EPFL puis en 3D au bassin de carène de l’HEPIA, puis du METAS.

En parallèle, un set-up numérique a été mis en place sur ANSYS Fluent. Là aussi, les études ont commencé d’abord en 2D, afin de simplifier considérablement le problème tout en restant fidèle aux observations faites dans le tunnel de cavitation. Travailler en 2D a permis de s’affranchir de la modélisation de la surface libre, qui peut s’avérer très complexe.  L’équipe a alors pu affiner rapidement tous les paramètres du solveur avant de transposer ces réglages sur un modèle en 3D. Au terme de multiples essais et sur les précieux conseils de CADFEM, c’est le modèle de “Volume of Fluid”, le plus courant pour ce genre d’applications qui s’est avéré le plus efficace pour modéliser la présence des deux phases air-eau. La turbulence, quant à elle, est modélisée avec le modèle k-oméga SST.

L’intelligence artificielle au service de l’optimisation

Une fois les bons paramètres identifiés, l’équipe hydrodynamique a pu exploiter toute la puissance et la robustesse du logiciel ANSYS Fluent : plus de 500 simulations ont ainsi pu être générées en un temps record ! Les résultats obtenus ont servi à alimenter un réseau de neurones, SP80 ayant choisi d’utiliser l’intelligence artificielle pour optimiser ces profils. Grâce à la start-up de l’EPFL Neural Concept, il a été possible de prédire les performances de n’importe quelle forme de foil à partir des résultats obtenus sur ANSYS Fluent. Il était dès lors possible de tester virtuellement un très grand nombre de design et l’algorithme d’optimisation développé a permis d’explorer des formes auxquelles l’équipe n’aurait peut-être pas pensé avec une approche itérative “conventionnelle”.

 Le profil ainsi obtenu a donc pu être construit puis testé dans le tunnel de cavitation du LMH pour valider ses caractéristiques et confirmer un gain de performances de près de 20%, ce qui se traduit immédiatement dans la réalité par plusieurs km/h de vitesse en plus !

CADFEM, un soutien précieux dans la mise en place des simulations

Les simulations numériques réalisées sur ANSYS Fluent ont été au cœur du processus d’optimisation des hydrofoils de SP80 et les capacités offertes par le logiciel ont permis un gain de temps et de précision, indispensables pour battre le record du monde de vitesse à la voile en 2022. Afin d’exploiter au mieux toutes les ressources du logiciel, l’équipe hydrodynamique de SP80, composée uniquement d’étudiants de l’EPFL, a pu compter sur les précieux conseils de CADFEM, en particulier de Demian Lauper et Christopher Blomberg. Leur soutien a contribué à améliorer les simulations réalisées sur ANSYS Fluent et a par la même occasion, permis aux étudiants de parfaire leurs connaissances sur le logiciel.

Aurore Kerr, communication manager

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