Créer des traversiers est complexe : coque et escales doivent rimer avec efficacité énergétique et silence.
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Conception des traversiers
En quoi les traversiers sont-ils différents des autres navires commerciaux?
En tant que prolongement du système de transport routier, les services de traversier doivent être sécuritaires, fiables et efficaces. Des exigences sont fixées pour la fréquence des traversées, la capacité disponible pour les passagers et les véhicules, et le coût du service pour relier les personnes aux communautés éloignées ainsi que les marchandises aux marchés. Pour maximiser l’efficacité, les traversiers doivent transporter autant de passagers, de véhicules et de marchandises que possible au cours de chaque voyage, sans compromettre la sécurité et les besoins des passagers pour ce qui est des services offerts, de la restauration et des sièges à bord.
Contrairement aux navires de charge, les traversiers sont souvent à double extrémités, c’est-à-dire que la proue et la poupe du navire sont en miroir. Plutôt que de faire demi-tour, le capitaine passe d’un ensemble de commandes à l’autre pour le voyage de retour. Les voitures embarquent à une extrémité du traversier et en débarquent à l’autre. Le fait de disposer d’un système de propulsion à chaque extrémité du navire confère également au traversier une meilleure puissance d’arrêt et une meilleure manœuvrabilité qu’un navire dont la propulsion n’est assurée qu’à une seule extrémité.1
Tous les navires ont une vitesse de service prévue. Les navires hauturiers fonctionnent généralement à leur vitesse de service prévue plus de 95 % du temps, ralentissant en dessous de cette vitesse lorsqu’ils approchent d’un port ou manœuvrent dans des voies navigables étroites. Les hélices à pas fixe durables sont généralement un bon choix pour les navires hauturiers, car le pas de l’hélice peut être préréglé à l’angle optimal pour la vitesse de fonctionnement souhaitée afin de maximiser l’efficacité. Cependant, lorsqu’il fonctionne en dehors de la vitesse de service prévue, le navire est considéré comme « hors conception » et fonctionne moins efficacement que s’il naviguait à la vitesse prévue.
Les traversiers fonctionnent à leur vitesse de service prévue environ 70 % du temps. Le reste du temps, ils chargent ou déchargent des passagers tout en restant à quai. Lorsqu’un traversier entre dans le port, le régime des hélices diminue généralement afin de ralentir le navire pour un accostage en toute sécurité. Les moteurs réduisent leur puissance et les hélices peuvent tourner plus lentement ou être inversées pour aider à arrêter le traversier. Ces changements de vitesse et de régime peuvent générer plus de bruit que si le traversier naviguait à des vitesses plus élevées (optimales). De plus, le bruit peut être amplifié par les ondes sonores qui se réfléchissent sur le fond marin dans les eaux peu profondes près du rivage.
Pour en savoir plus sur l’influence de l’environnement océanique sur le bruit, consultez le premier article de cette série, Détection et mesure du bruit rayonné sous-marin.
Un autre élément est la durée de vie prévue des traversiers, généralement plus longue que celle des navires de charge. Certaines flottes de traversiers peuvent rester en service pendant cinquante ans ou plus. Le renouvellement de la flotte est un processus lent qui doit tenir compte de nombreux facteurs, comme l’évolution des tendances et du nombre de passagers, ainsi que l’efficacité, la fiabilité et la sécurité. L’identification, la conception, la commande, la construction, les essais et la livraison des nouveaux navires – pour les services de traversier ou de fret – prennent des années. Pour les flottes de traversiers, il est particulièrement important de maintenir une capacité suffisante pour l’entretien planifié et non planifié (c’est-à-dire en cas d’urgence) des navires au fil du temps, afin que le niveau de service requis puisse être maintenu quand les navires ont besoin de réparations ou de mises à niveau.
Quels facteurs doit-on tenir compte dans la conception des traversiers?
Les navires sont conçus par des architectes navals et des ingénieurs maritimes, experts de la structure, des systèmes et des performances des navires. Les architectes navals se concentrent sur la conception générale, la stabilité et l’hydrodynamique, tandis que les ingénieurs maritimes s’occupent des systèmes de propulsion et des systèmes mécaniques et électriques.
Pour en savoir plus sur l’influence de la conception des navires sur le bruit sous-marin, consultez le deuxième article de la série, Concevoir Navires plus silencieux : modernisation et construction
Pour les traversiers, les paramètres opérationnels clés comprennent la vitesse de déplacement prévue, la distance du trajet, les exigences relatives aux passagers et aux véhicules, le ou les types de carburant, ainsi que les conditions météorologiques et océaniques dans la zone du trajet. En outre, les traversiers doivent généralement être conçus pour une longue durée de vie à des coûts d’investissement, d’exploitation et de cycle de vie les plus bas possibles. Cela inclut le besoin de moderniser les navires tout au long de leur durée de vie afin d’intégrer les nouvelles technologies et de maintenir les niveaux de service.
La conception des navires a été principalement optimisée pour l’efficacité énergétique, afin de réduire autant que possible la consommation de carburant. L’accent étant mis de plus en plus sur la réduction des répercussions environnementales, le bruit sous-marin représente un nouveau défi pour les ingénieurs et les architectes navals. La cavitation de l’hélice, la conception structurelle, la conception de la coque et d’autres facteurs se conjuguent pour influencer le niveau de bruit sous-marin d’un navire. Par conséquent, une réduction efficace du bruit est un problème multidisciplinaire.
La réduction du bruit sous-marin comme co-bénéfice de la diminution des émissions de gaz à effet de serre
Le projet Quiet Vessel Technologies Scan menée par Vard Marine Ltd. et financée par l’Initiative pour des navires silencieux, donne un aperçu des différentes technologies permettant de réduire les émissions de gaz à effet de serre et le bruit sous-marin rayonné. Si certaines options visent principalement l’un de ces impacts, beaucoup impliquent des compromis : certaines solutions peuvent réduire les émissions mais augmenter le bruit, tandis que d’autres peuvent avoir l’effet inverse.
Dans le contexte de la décarbonation maritime mondiale, il sera important de donner la priorité aux technologies qui réduisent à la fois les impacts environnementaux, tels que le bruit sous-marin, et améliorent l’efficacité opérationnelle.
La majeure partie du bruit provient de l’hélice du navire. Le niveau de bruit dépend principalement de la vitesse du navire et, surtout, du fait que ce dernier se trouve au-dessus ou au-dessous de sa vitesse de début de la cavitation. Lors du choix d’une hélice, les concepteurs de traversiers doivent tenir compte des conditions « nominales » et « non nominales » de fonctionnement. En général, une hélice à pas variable est un bon choix pour un traversier, car l’exploitant peut modifier le pas, ou l’angle, des pales de l’hélice. Cela permet à l’hélice de tourner à un rythme constant (tours par minute ou trs/min) tout en modifiant la vitesse et la poussée. Le navire ralentit en prenant moins d’eau à chaque tour. Ce type d’hélice offre la meilleure option de contrôle. Cependant, ralentir le navire en changeant le pas de l’hélice peut augmenter le bruit sous-marin car l’hélice continue de tourner au même régime alors que le navire réduit sa vitesse.
Pour en apprendre davantage sur les types d’hélices, vous pouvez visionner cette vidéo de Casual Navigation sur YouTube
Comment les concepteurs de navires savent-ils ce qui sera le plus silencieux?
Avant de construire des navires ou des composants de navires, les architectes navals testent différentes options de conception. Aujourd’hui, les simulations et les modèles informatiques sont largement utilisés pour prédire le comportement des navires et de leurs composants dans différentes conditions. Par exemple, le projet de l’Initiative pour des navires silencieux « Computational Fluid Dynamics Tools for Prediction of Cavitation-Induced Underwater Radiated Noise » (outils de dynamique des fluides numérique pour la prédiction du bruit rayonné sous-marin induit par la cavitation), mené par des chercheurs de l’Université de Victoria, élabore un modèle rentable qui peut prédire le bruit de différentes conceptions de navires, sans avoir recours à de grandes quantités de données. Néanmoins, comme tous les modèles, celui-ci nécessite des données. Les données les plus importantes pour les modèles de bruit des navires sont la forme de la coque et la conception des hélices. Cependant, ces conceptions sont souvent la propriété des concepteurs. Même les armateurs peuvent ne pas disposer de tous les détails relatifs à la conception de leurs navires. Pour soutenir la mise au point de cet outil de dynamique des fluides numérique, BC Ferry Services Ltd. (BC Ferries) échange des données de conception passées et récentes sur ses traversiers avec les chercheurs de l’Université de Victoria.
Outre les modèles informatiques et les simulations, les modèles physiques sont également largement utilisés. Dans le cadre du projet « Composite Propeller Design for Noise Reduction » (conception d’hélices composites pour la réduction du bruit) de Lloyd’s Register et de Recherche et développement pour la défense Canada, l’équipe a construit un modèle réduit de la coque du patrouilleur de classe Orca afin de tester un nouveau modèle d’hélice dans un réservoir. Le projet « Plateforme de tests en milieu contrôlé pour l’évaluation de mesures de mitigation du bruit et vibrations générés par les navires| Controlled Environment Test Platform for Evaluating Noise and Vibration Mitigation Measures Generated by Ships » d’Innovation Maritime a également utilisé un modèle physique dans un réservoir pour évaluer les différentes manières de réduire le bruit produit par les machines des navires.
Pour en savoir plus sur l’influence de la conception des navires sur le bruit sous-marin, consultez le deuxième article de la série, Concevoir Navires plus silencieux : modernisation et construction
Cet article a été rédigé par Clear Seas pour le compte de Transports Canada dans le cadre de l’Initiative pour des navires silencieux. Il fait partie d’une série de quatre articles consacrés aux traversiers et au bruit sous-marins.
Pour en savoir plus sur les nouvelles découvertes et les défis à relever pour rendre les navires plus silencieux, consultez les autres sujets de cette série ici.
L’Initiative pour des navires silencieux est financée par le gouvernement fédéral par l’intermédiaire de Transports Canada. Les partenaires industriels et les chercheurs intéressés par d’éventuelles collaborations en matière de recherche et de développement afin de faire progresser les solutions novatrices dans le domaine de la technologie marine sont invités à contacter l’équipe de l’Initiative pour des navires silencieux à l’adresse suivante : Marine-RDD-maritime@tc.gc.ca
Références
Cavitation : Changement de phase de l’état liquide à l’état de vapeur, comme l’ébullition, mais causé par un changement de pression plutôt que par un changement de température. Lorsque des zones de pression suffisamment basse sont générées dans l’eau, des bulles de vapeur (cavités) se forment. Quand les bulles de vapeur quittent la zone de basse pression, elles s’effondrent (implosent).
Comme les différences de pression sont généralement importantes, l’effondrement des bulles de cavitation est très puissant et bruyant. D’autres facteurs liés au navire, comme la conception de la coque, influencent également la cavitation. Des mesures ont montré que la cavitation des hélices est plus fréquente à des vitesses plus élevées en raison des charges plus importantes exercées sur les pales de l’hélice. La cavitation peut également se produire quand les pales de l’hélice sont mal alignées ou endommagées. En plus de produire beaucoup de bruit, les bulles de cavitation peuvent endommager ou dégrader les surfaces métalliques comme les hélices, réduisant ainsi leur performance et leur efficacité.
Dynamique des fluides numérique : Méthode utilisée pour étudier la façon dont les fluides, comme l’eau et l’air, se déplacent. Elle consiste à utiliser des ordinateurs pour résoudre les équations mathématiques qui décrivent le mouvement des fluides. Grâce à la dynamique des fluides numérique, les ingénieurs et les chercheurs peuvent créer des simulations virtuelles pour voir comment les fluides s’écoulent autour d’objets, tels que les navires, ou de composants spécifiques, tels que la coque ou l’hélice. Comprendre comment l’eau se déplace autour des navires et interagit avec eux permet aux concepteurs de voir où la traînée ou les turbulences peuvent se produire et de se concentrer sur l’optimisation de la conception du navire. La dynamique des fluides numérique peut créer des simulations de différents concepts afin de tester et d’affiner les composants sans avoir à les construire physiquement, ce qui permet un processus de conception plus efficace.
Hélice, (cavitation de l’) : Lorsqu’une hélice tourne, elle crée une zone de basse pression d’un côté de la pale et une zone de haute pression de l’autre. Dans de nombreux cas, la pression dans la zone de basse pression est suffisamment basse pour provoquer la cavitation, un changement de phase du liquide à la vapeur, comme l’ébullition, mais causé par un changement de pression plutôt que par un changement de température. Lorsque des zones de basse pression sont créées dans l’eau, des bulles de vapeur se forment, et quand ces bulles quittent la zone de basse pression, elles s’effondrent (implosent).
Comme les différences de pression sont généralement importantes, l’effondrement des bulles de cavitation est très puissant et bruyant. D’autres facteurs liés au navire, comme la conception de la coque, influencent également la cavitation. Des mesures ont montré que la cavitation des hélices est plus fréquente à des vitesses plus élevées en raison des charges plus importantes exercées sur les pales de l’hélice. La cavitation peut également se produire quand les pales de l’hélice sont mal alignées ou endommagées. En plus de produire beaucoup de bruit, les bulles de cavitation peuvent endommager ou dégrader les surfaces métalliques comme les hélices, réduisant ainsi leur performance et leur efficacité.
