Cette thèse vise à une meilleure compréhension de la dynamique du voilier et à la validation des outils numériques de prédiction de performances et d’optimisation par l'étude expérimentale in situ du problème aéro-élastique d'un gréement. Une instrumentation est développée sur un voilier de 8m de type J80 pour la mesure dynamique des efforts dans le gréement, de la forme des voiles en navigation, du vent et des attitudes du bateau. Un effort particulier est apporté à la mesure des caractéristiques géométriques et mécaniques des éléments du gréement, la calibration des capteurs et au système d'acquisition des données. Les principaux résultats montrent que le voilier instrumenté est un outil adapté pour les mesures instationnaires et soulignent l'amplitude de variation d'effort rencontrée en mer (20 à 50% de l'effort moyen dans une houle modérée). En outre, les variations du signal d'effort sont déphasées avec l'angle d'assiette, créant un phénomène d'hystérésis. Le comportement dynamique d'un voilier en mouvement diffère ainsi de l'approche quasi-statique. Les simulations numériques proviennent du code ARAVANTI, couplage implicite d’un code structure éléments finis ARA et d’un code fluide parfait, limitant son domaine de validité aux allures de près Les résultats de simulation sont très proches des cas stationnaires et concordent bien avec les mesures en instationnaire dans une houle de face. L'expérimentation numérique d'un gréement soumis à des oscillations harmoniques en tangage souligne l'importance de l'approche Interaction Fluide Structure (IFS) et montre que l’énergie échangée par le système avec la houle est reliée à la fréquence réduite et l'amplitude du mouvement. Certaines informations n'étant pas disponibles sur le voilier instrumenté, une expérience contrôlée en laboratoire est développée. Elle consiste en un carré de tissu tenu par deux lattes en oscillation forcée. Les mesures sur cette « voile oscillante » permettent d'étudier les phénomènes IFS avec décollement et sont utilisées pour la validation du couplage ARA-ISIS entre un code fluide Navier-Stokes (RANS) et le même code structure. / This work presents a full scale experimental study on the aero-elastic wind/sails/rig interaction in real navigation condition with the aim to give a reliable database of unsteady measurement. This database is used for the investigation of the dynamic behavior and loads in the rigging and for an experimental validation of an unsteady Fluid Structure Interaction (FSI) model. An inboard instrumentation system has been developed on a 8 meter yacht (J80 class) to simultaneously and dynamically measure the navigation parameters, yacht's motion, sails flying shape, wind and loads in the rigging. A special effort is made on mechanical and geometrical characteristics measurement, sensors calibration and data acquisition system synchronization. Results show that the instrumented boat is a reliable tool to measure the unsteady phenomena in navigation. Dynamic measurements at sea underline the load variation encountered, which represent 20 to 50% of the mean value in a moderate sea state. Oscillations of loads exhibit phase shift with the trim angle, reason for an hysteresis phenomenon, which shows that the dynamic behavior of a sail plan subject to yacht motion clearly deviates from the quasi-steady theory. Simulations are made with ARAVANTI, an implicit coupling of a Finite Element Method structural model ARA and an inviscid fluid model which restricts the simulation domain to upwind conditions. The simulation results compare very well with the experimental data for steady sailing conditions and show a good agreement in unsteady conditions (head swell). Numerical investigation of a sail plan submitted to harmonic pitching motion underlines the importance of FSI modeling and shows that the energy exchanged by the system with the swell increases with the motion reduced frequency and amplitude. Some information is not accessible on the instrumented boat and requires developing a controlled test case in laboratory. The experiment consists of a spinnaker fabric square mounted on two carbon battens moved in forced oscillation. This test case is used to study FSI phenomena with a separated flow and gives experimental results for the validation of the coupling ARA-ISIS of a RANS fluid model with the same structure model.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur un voilier instrumenté, menée pour décrire le comportement aéro-élastique des voiles et du gréement pour des navigations au portant. Les formes des voiles utilisées sont des surfaces non développables avec de fortes courbures provoquant une séparation massive de l’écoulement. De plus, les spinnakers sont des voiles fines et souples rendant l’interaction fluide-structure fortement couplée. A cause du non-respect de certaines règles de similitude, le comportement dynamique d’un spinnaker se prête mal à l’étude en soufflerie et nécessite une comparaison avec des mesures in-situ. Les simulations numériques instationnaires modélisant le comportement aéro-élastique des voiles et du gréement doivent être qualifiées et demandent également des validations. C’est pourquoi un système d’instrumentation embarquée est mis en place sur un J/80, un voilier de huit mètres de long. Il s’agit de mesurer dynamiquement la forme en navigation du spinnaker, les efforts dans les gréements dormant et courant, la répartition de pression sur la voile ainsi que le vent et les attitudes du bateau. La forme du spinnaker en navigation est obtenue grâce à un système de mesure photogrammétrique développé pendant la thèse. La précision de ce système, meilleure que 1,5%, permet de mesurer la forme générale de la voile ainsi que les déformations importantes telles que celles liées au faseyement du guindant. L’effort aérodynamique produit par le spinnaker est obtenu grâce à la mesure de l’intensité des efforts et de leurs directions aux trois extrémités (drisse, amure, écoute) ainsi que par la mesure des pressions sur la voile. Le comportement général du spinnaker est analysé en fonction de l’angle du vent apparent. Une nouvelle représentation utilisant les surfaces de Bézier triangulaires est développée pour décrire la forme tridimensionnelle du spinnaker. Quelques points de contrôles suffisent pour représenter la voile et caractériser le type de voile. Un comportement dynamique propre au spinnaker est également étudié. Le réglage supposé optimal d’un spinnaker est à la limite du faseyement, en laissant le guindant se replier légèrement. Cependant ce réglage n’a jamais été scientifiquement étudié auparavant. Nous avons montré qu’il s’agit d’une forte interaction fluide-structure tridimensionnelle où une importante dépression apparaît au bord d’attaque, qui augmente temporairement les efforts, ce qui n’est pas observé avec un réglage plus bordé. / A full-scale experimental study on an instrumented sailing yacht is conducted to better assess the aero-elastic behaviour of the sails and rigging in downwind navigations. The downwind sail shape is a non-developable surface with high curvature leading to massive flow separation. In addition, spinnakers are thin and flexible sails leading to a strongly coupled Fluid-Structure Interaction. Due to the non-respect of some rules of similitude, the unsteady behaviour of downwind sails cannot be easily investigated with wind tunnel tests that would need comparison with full-scale experiments. Moreover unsteady numerical simulations modelling the aero-elastic behaviour of the sails and rigging require validations. An inboard instrumentation system has been developed on a 8 meter J/80 sailboat to simultaneously and dynamically measure the flying shape of the spinnaker, the aerodynamic loads transmitted to the rigging, the pressure distribution on the sail as well as the boat and wind data. The shape of the spinnaker while sailing is acquired by a photogrammetric system developed during this PhD. The accuracy of this new system, better than 1.5%, is used to measure the global shape and the main dynamic deformations, such as the flapping of the luff. The aerodynamic load produced by the spinnaker is assessed by the measurements of the load magnitudes and directions on the three corners of the sail (head, tack and clew), and also by the pressure distribution on the spinnaker. The global behaviour of the spinnaker is analysed according to the apparent wind angle. A new representation using Bézier triangular surfaces defines the spinnaker 3D shape. A few control points enable to represent the sail and can easily characterise the type of sail. A typical unsteady behaviour of the spinnaker is also analysed. Letting the luff of the sail flap is known by sailors as the optimal trim but has never been scientifically studied before. It is found that it is a complex three dimensional fluid-structure interaction problem where a high suction near the leading edge occurs, producing a temporary increase of the force coefficient that would not be possible otherwise.