Depuis quelques années, les océanographes et les climatologues expriment un besoin croissant de disposer de moyens de mesures complémentaires pour réaliser des mesures en mer. Les voiliers autonomes sont un moyen potentiel de déploiement des capteurs nécessaires à ces mesures. Le problème abordé dans le cadre de cette thèse est la détermination à tout instant d'un cap navigable permettant aux voiliers robotisés de se déplacer vers un objectif aussi vite que possible tout en évitant les obstacles et en s'adaptant aux conditions instantanées de vent. Nous proposons deux approches de sélection d'un cap navigable pour atteindre un point ou une liste de points de navigation défini par un opérateur humain. La première est similaire à celle utilisée par les skippers humains. Elle se base sur la minimisation d'une fonction de coût exploitant la projection des vitesses représentées dans la courbe polaire caractéristique du voilier sur la route direct vers l'objectif. Une seconde fonction de coût permet de tenir compte de la présence potentielle d'obstacles. %Le premier est basée sur des fonctions de coût fondées sur la stratégie de projection des vitesses représentées dans la courbe polaire caractéristique du bateau, méthode amplement utilisée par les skippers humaines. La deuxième approche repose sur la méthode des champs de potentiel. La particularité de cette approche tient au fait que les capacités de propulsion du voilier, représentées par sa courbe polaire de vitesse, sont traduites par des potentiels locaux qui se déplacent avec le voilier. Cette méthode présente l'avantage d'unifier la représentation des contraintes de la navigation à voile et des tâches à réaliser. Ces différentes méthodes sont illustrées par des simulations numériques ainsi que des essais expérimentaux.

Les voiliers autonomes sont des plate-formes de mesure océanographique à fort potentiel, notamment du fait de leur maniabilité, de leurs faibles signatures thermique et acoustique et de leur grande autonomie énergétique. Leur principal handicap est que leur force motrice dépend du vent et de sa nature incontrôlable et partiellement non prévisible. Un voilier est donc un système sous-actionné. Sa capacité à suivre une orientation dépend de sa vitesse d'avancement, elle même résultant de l'action du vent sur ses voiles. Un réglage inadéquat de celles-ci entravera son bon fonctionnement et risquerait de le faire gîter dangereusement. Pour atteindre des coordonnées cibles, la majorité des voiliers assure une vitesse d'avancement non nulle via le réglage de voile et effectue un asservissent de cap en modifiant l'angle du safran. Ce type d'asservissement néglige les effets de dérive dûs aux efforts latéraux sur les voiles. La direction de la route diffère donc de celle du cap, ce qui doit être pris en compte lors de la planification locale du voilier.Enfin, la plupart des voiliers autonomes utilisent des correcteurs distincts pour régler les voiles et le safran. Or, selon les conditions de navigation, de telles commandes découplées peuvent nuire au bon fonctionnement du voilier. Ce travail adresse ces différents problèmes et propose des solutions pour trouver un réglage de voile maximisant la vitesse du voilier tout en assurant son intégrité, asservir la route du voilier et donc simplifier sa planification locale et enfin coordonner les actions des voiles et du safran pour augmenter la maniabilité du voilier quand les conditions de navigation sont défavorables. / Autonomous sailboats constitute promising plateforms for oceanic measurments. This is mainly due to their manoeuvrability, their low thermal and acoustic signatures and their high energetic autonomy. Their main drawback is that the propulsion force of a sailboat depends on the wind that is not controllable and partially unpredictible. Thus, a sailboat is an under-actuated system. Its ability to follow a direction relies on its longitudinal velocity and results from the action of the wind on its sails. An un-appropriated sail trimming may slow down the sailboat and increase its heeling dangerously. On the other side and To reach a waypoint, most autonomous sailboats will trim their sails to ensure a non-null velocity while achieving a heading controller that act on the rudder to change the orientation of the sailboat. Such heading controller neglect the leeway that results from the lateral forces on the sails. Thus, the route of a sailboat is different from its heading and this should be taked into account while doing local planning. Finally, autonomous sailboats mainly use different controllers for trimming the sails and the rudder. But, depending on sailing conditions, such uncoupled controllers may have negative impact on the maneuvrability of the sailboat. This work focuses on these problems and give solutions to find a sail trimming that maximize the velocity of the sailboat while ensuring a safe cruising, to control the route of the sailboat and simplify the local path planning process and to coordinate the actions on the sails and rudder to increase the maneauvrability while cruising conditions are not adequate.

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.

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.

Ce travail s’inscrit dans le projet VOILENav qui vise à améliorer la compréhension des phénomènes d’Interaction Fluide-Structure appliqués aux voiles. Des comparaisons numériques expérimentales sont réalisées sur des mesures « in situ » au près à l’aide d’un code fluide parfait. Un critère, fondé sur l’équilibre du couple aérodynamique avec le couple de redressement, est proposé, permettant de vérifier l’hypothèse d’un écoulement attaché. Les précédentes études sur un voilier instrumenté ont montré les limites d’une approche « in situ » de par l’instationnarité naturelle liée aux évolutions du vent et de l’état de mer. Les autres limites résident dans la mesure de ces dernières – et tout particulièrement la mesure du vent réel – ainsi que dans le spectre des conditions rencontrées au réel. Des essais en soufflerie sont ainsi réalisés dans le cadre de ces travaux pour répondre, par une approche systématique et contrôlée, aux interrogations soulevées par les mesures « in situ ». Deux campagnes expérimentales successives, soutenues par le programme d’échange Sailing Fluids ont été menées dans la soufflerie du Yacht Research Unit de l’Université d’Auckland se focalisant sur les essais de voiles au près puis au portant. Les essais au près sont réalisés sur trois modèles réduits de grand-voiles d’IMOCA60 dans des conditions de réglages statiques et dynamiques. Le meilleur réglage statique est obtenu grâce à l’utilisation d’un algorithme d’optimisation original puis l’influence de l’amplitude et de la fréquence du « pumping » sont étudiés. Les performances aérodynamiques du système soumis à un réglage dynamique sont supérieures à celles du réglage optimum statique et un maximum est observé autour d’une fréquence réduite de 0.25 à 0.3. Au portant, les effets de l’instationnarité naturelle du spinnaker connue sous le terme « curling » (repliement du bord d’attaque) sont étudiés. Quatre modèles de spinnakers de J80 de forme identique sont testés pour différents matériaux et différentes coupes. Les mesures en soufflerie montrent que, pour des angles de vent apparent supérieurs à 100°, l’apparition du « curling » conduit à une augmentation de la force propulsive pouvant atteindre 10%. Les effets de la vitesse et de l’angle de vent apparent sont également étudiés et permettent d’extraire une fréquence réduite de curling indépendante de la vitesse de l’écoulement de 0.4 pour un vent apparent de 120°. L’étendue de la gamme de mesures explorées et le soin particulier apporté aux données expérimentales font de ces travaux une base de données remarquable pour des comparaisons avec des simulations de l’Interaction Fluide-Structure. / This work is part of the VOILENav project which aims to improve the understanding of Fluid-Structure Interaction applied to sails. Full-scale numerical experimental comparisons are achieved in upwind conditions with an inviscid flow code. A criterion using the equilibrium between the righting and heeling moment is suggested to check the attached flow hypothesis. Previous fullscale studies on instrumented boat are limited by the natural unsteadiness of wind and sea conditions and the measurement of these conditions. True wind computation and the wide range of encountered sailing conditions are still challenging. Complementary wind tunnel tests are carried out in this PhD project, using controlled conditions, to address some issues observed at full-scale. Thanks to the Sailing Fluids collaboration, two experimental campaigns in the Twisted Flow Wind Tunnel of the Yacht Research Unit of the University of Auckland have investigated upwind and downwind conditions. Upwind tests investigate static and dynamic trimming on three model IMOCA60 mainsails. The optimum static trim is determined thanks to an innovative optimization algorithm then the pumping amplitude and frequency are investigated. Aerodynamic performances under dynamic trimming are better than the optimum static trim with a maximum located for a reduced frequency about 0.25 to 0.3. For the downwind test, the natural unsteadiness known as curling (repeated foldingunfolding of leading edge) is studied. Four model J80 spinnakers with identical design shape are tested with different materials and cuts. Wind tunnel measurements show that for apparent wind angles higher than 100°, the curling apparition increases the drive force by up to 10%. Wind speed and wind angle effects are investigated and show a reduced curling frequency of 0.4 independent from the flow velocity for an apparent wind angle of 120°. The variety of the experimental conditions tested makes this work a precious database for Fluid Structure Interaction numerical-experimental comparison in the future.

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.

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.