Description du phénomène de surenfoncement

publié le 22 juillet 2011 (modifié le 25 juillet 2011)

La sécurité de la navigation en eaux restreintes nécessite une connaissance du surenfoncement et des capacités manœuvrières

Aspects généraux – exemples de cas répertoriés

Le navire au repos a un certain enfoncement par rapport au niveau de l’eau dit enfoncement statique. Cet enfoncement statique est plus connu sous le nom de tirant d’eau du navire. La pression qui supporte le poids du navire diminue avec l’augmentation de la vitesse de l’écoulement le long de la coque. Il s’ensuit un enfoncement supplémentaire avec éventuellement une modification de l’assiette. L’enfoncement d’un navire en mouvement résulte donc de l’enfoncement statique et du surenfoncement dû au déplacement du navire. Le schéma suivant illustre ces deux enfoncements.

Figure 1 : Définition du surenfoncement

Il existe de nombreux cas répertoriés où le surenfoncement a véritablement entraîné un talonnement du bateau. Ce sont des situations où dans des conditions normales de déplacement du bateau (vitesse d’avance par rapport à la configuration des fonds) le navire n’aurait pas raclé le fond marin, ou le fond du canal. Le navire le plus prestigieux est le paquebot Queen Elizabeth 2 (longueur 294 m, 70 327 tonnes) qui a talonné le 7 août 1992 au large de Vineyard Sound dans le Massachusetts aux Etats Unis. En France, le ferry Napoléon Bonaparte l’a imité en sortant du port de Marseille le 5 février 1999.

Figure 2a : Le paquebot Queen Elizabeth II

Figure 2b : Le ferry Napoléon Bonaparte

Facteurs determinants

L’enfoncement dynamique est plus important lorsque le navire évolue en zone confinée (zone de hauts fonds, chenal,…) où apparaissent des phénomènes de blocage accélérant l’eau qui défile le long de la coque.

Différents facteurs peuvent ainsi intervenir sur le surenfoncement du navire. Ce sont principalement :

  • la vitesse du navire (essentiellement la composante longitudinale),
  • le confinement (obstruction de l’écoulement autour du navire par le fond , le chenal, les berges, …), traduit par le coefficient de blocage Cb,
  • la forme et la taille du navire (coefficient de bloc du navire CB),
  • l’aspiration de l’eau par les hélices et dans une moindre mesure la forme de l’arrière du navire,
  • la vitesse de dérive du navire (lorsque le bâtiment subit un vent ou un courant de travers)
  • la gîte et le roulis causés par le vent traversier irrégulier,
  • les mouvements induits par les vagues créées par le navire notamment lorsque sa vitesse est proche du domaine des vitesses critiques,
  • la variation du fond,
  • l’envasement.

Facteurs aggravants

On peut distinguer deux principaux facteurs aggravants :

  • Croisement/dépassement avec un second navire
  • Effet de berge dans le chenal (navire excentré dans le chenal)

Principes théoriques

Le surenfoncement des navires a la même origine que la portance qui permet aux avions de voler. Il provient d’une diminution de la pression du fluide porteur due à une accélération locale de ce fluide entourant le mobile.

Considérons l’écoulement autour d’un « profil » d’aile. Les filets d’air, déviés au-dessus du profil (extrados) par le bord d’attaque de l’aile, augmentent de vitesse comme le courant d’une rivière dans une courbe. Les particules d’air se distendent et par conséquent la pression de l’air sur la paroi diminue par rapport à celle en amont du profil. Il se crée donc sur l’extrados une zone de dépression.

Figure 3 : Ecoulement autour d’un profil d’aile d’avion. Zone A : V diminue, ps augmente. Zone B : V augmente, ps diminue. Zone C : V diminue, ps augmente. (photo ONERA)

Au contraire, les filets d’air sont freinés par la paroi du dessous (intrados) et diminuent de vitesse. Les particules d’air se rapprochent et la pression de l’air augmente. Il se crée ainsi sur l’intrados une zone de surpression.

Figure 4 : Exemple d’un champ de pression sur une aile en flèche (Source ONERA)

Figure 5 : Action d’aspiration vers le haut d’un courant d’air sur l’extrados.

La résultante des forces de dépression sur l’extrados est beaucoup plus élevée que la résultante des surpressions sur l’intrados. Ceci est mis en évidence Figure 4, et peut être vérifié en soufflant sur le dessus d’une feuille de papier comme sur la Figure 5.

Considérons maintenant un navire qui se déplace à une vitesse constante u, il produit un écoulement caractérisé par un certain défilement des filets d’eau autour de lui et un certain champ de vagues. Si le navire était fixe et placé dans un courant de vitesse - u , il créerait autour de lui le même écoulement (principe d’inversion). Ainsi, le navire sera supposé fixe dans un courant de vitesse - u. Les filets d’eau sont dessinés en figure 6.

Figure 6 : Écoulement sous la carène

L’extrados est le dessous de la coque du navire et l’intrados est la partie hors de l’eau. Ainsi, sous la coque, la vitesse de l’écoulement est accéléré. Ce phénomène s’accentue lorsque le clair sous quille diminue et la poussée de l’hélice ou des hélices est importante. Le surenfoncement des navires est un parfait exemple d’application de la formule de Bernoulli, la pression est localement liée au carré de la vitesse de l’écoulement.