LABM Unité Mixte de Service et de Recherche   Responsable : Eric BERTON   Parc Scientifique et Technologique de Luminy 163, avenue de Luminy - Case 918 - 13288 Marseille Cedex 9 (France) 04 91 26 61 4504 91 41 16 91 eric@morille.univ-mrs.fr Applications   E. Berton, D. Favier, C. Maresca, A. Agnès, M. Nsi Mba, A. Durey, P. Chavet, G. Dietrich.   Ce troisième axe vise au développement d'applications communes aux thèmes fondamentaux des deux premiers axes de recherche. Dans une première phase correspondant à l'émergence de la thématique du LABM, les applications seront conduites, soit sur des configurations antérieurement abordées sous l'aspect purement aérodynamique, tels que les skieurs de descente KL ou les voiles de bateaux, soit sur des configurations pouvant être directement abordées en l'état actuel du développement thématique. Ainsi, les domaines d'application décrits ci-dessous concerneront les six configurations suivantes : de skieurs, de voiliers, de véliplanchistes, de nageurs, de cyclistes et de gestes de lancer/frappe qui constituent une liste non exhaustive des applications qui seront envisagées à terme. Celles-ci pourront concerner en effet d'autres configurations relevant des mêmes disciplines sportives, ou d'autres disciplines comprenant notamment les sports mécaniques terrestres et aériens (automobiles, delta plane, vol à voile, planeur, chute libre et parachutisme, ...).   Configuration de skieurs Configuration de voiliers Configuration de cyclistes Configuration de nageurs Configuration de véliplanchistes Configuration de frappe/lancers Retour aux thèmes de recherche Configuration de skieurs Retour Soutiens/collaborations : Office du tourisme de Vars, FFS, FFSNautique Descente Kilomètre Lancé : La simulation expérimentale de la descente KL sera réalisée dans la veine d'expérience de la soufflerie S1L, où sera montée une plateforme supportant l'ensemble skieur/équipement en situation de recherche de vitesse face au vent (pour des vitesses allant jusqu'à 80m/s). Cette plateforme instrumentée d'une balance de pesées et de jauges extensiométriques, permettra la détermination des forces et moments aérodynamiques s'exerçant sur l'ensemble skieur/équipement. L'étude relative à cette application bénéficiera de la collaboration de skieurs de la station de Vars, dont le recordman actuel de la spécialité (Philippe Billy). L'optimisation de la performance sportive sera tout d'abord recherchée par la minimisation de la réponse instantanée en traînée de l'ensemble skieur/équipement, qui sera enregistrée et numérisée de façon continue Cx=Cx(t) au cours de l'essai. L'optimisation aérodynamique conduisant à la valeur minimale de Cx, sera ainsi déduite des modifications d'attitudes de la position du skieur, ainsi que des changements de configurations de son équipement (casque, combinaison, ailerons, bâtons). Le mouvement exécuté par le skieur au cours du temps, lors de sa recherche de l'attitude optimale (correspondant à celle du Cxmin), sera étudié par analyse 3D du mouvement en vue de restituer une modélisation cinématique, qui sera caractéristique du type de mouvement mis en jeu pour d'atteindre l'optimum aérodynamique recherché. Virage en slalom géant : L'aspect expérimental sera conduit par l'intermédiaire d'une étude en soufflerie dans des conditions de simulation sensiblement analogues à celle du skieur de descente KL. Toutefois, afin de simuler certains des effets dynamiques complexes mis en jeu par le virage, la plate-forme de support (instrumentée dans les mêmes conditions pour permettre la détermination du torseur aérodynamique instantané lors du mouvement du skieur), pourra de plus être animée d'un mouvement automatisé de rotation et de mise en dérapage autour de l'axe vertical. La définition et la simulation mécanique en soufflerie de ce type de mouvement, seront déduites de la modélisation cinématique des mouvements périodiques du skieur, établie sur la base d'analyses du mouvement qui ont été menées dans des situations de terrain. Outre la mesure des efforts aérodynamiques instantanés résultant de la cinématique du mouvement de l'ensemble skieur/équipement. L'aspect expérimental de l'étude comprendra également la mise au point de balances adaptées à la pratique du ski, et permettant la mesure du torseur des efforts exercés par le ski sur le skieur. L'aspect numérique de l'étude sera entrepris par l'intermédiaire d'une modélisation dynamique du mouvement (sous SDS) et à partir de la connaissance des torseurs précédemment mesurés. L'optimisation de la performance sportive relative à la configuration de virage en slalom géant, pourra alors être envisagée sur la base de ces simulations expérimentales et numériques et en vue d'aboutir à l'optimisation du type de mouvement et du type de skis mis en jeu dans cette configuration. Saut à ski (nordique et nautique) : La modélisation cinématique du mouvement relatif du sauteur (sur l'eau ou sur la neige) de même que la détermination de son moment cinétique, seront préalablement réalisées à partir d'une analyse 3D du mouvement conduite dans la situation de terrain. Cette analyse permettra en particulier la détermination des trajectoires et la modélisation cinématique au cours des différentes phases du saut (approche, envol depuis le tremplin, puis vol et réception). La connaissance de la cinématique du mouvement au cours de ces différentes phases, conduira à aborder l'étude de l'influence des effets aérodynamiques (notamment la position en " V " avec le corps du skieur au centre, l'angle des skis, ...) au cours de la phase de vol. Une simulation expérimentale sera à cet effet conduite dans la soufflerie S1L, pour étudier et analyser les caractéristiques du comportement aérodynamique de l'ensemble skieur/équipement le long de sa trajectoire de vol. Le torseur des efforts aérodynamiques s'exerçant sur l'ensemble sera mesuré en fonction de sa position, de son orientation par rapport au vecteur vitesse, ainsi que de la position relative des skis et des membres supérieurs par rapport au corps. La recherche des conditions optimales (aérodynamiques et dynamiques) sera ensuite menée à partir des modélisations cinématiques et dynamiques qui auront été construites sur les différentes phases du saut. Une approche similaire basée sur des simulations expérimentales et numériques sera adoptée pour les deux configurations (nordique et nautique), en tenant compte de facteur adaptatif à chaque configuration (approches différentes sur le tremplin, skis sur l'eau et skis de neige, ...). Retour Haut de page Configuration de voiliers Retour Soutiens/collaborations : FFV, Pôle France Voile Il s'agira ici de mener une étude expérimentale comparative entre une configuration classique de gréement et un gréement à balestron. Sur ce dernier, la bôme a été prolongée sur l'avant par un balestron solidaire du mât sur lequel se trouvent la grand-voile et le foc. Le mât, implanté sur la quille et pivotant, est fixé à l'avant et à l'arrière du balestron mais il n'est pas haubané, ce qui est possible grâce au matériau utilisé pour le mât et le balestron (le carbone), qui permet d'obtenir un espar léger, résistant et suffisamment élastique. Une écoute permet de faire pivoter le balestron afin de border ou de choquer les voiles. Le foc et la grand-voile sont ainsi réglés en même temps, ce qui simplifie la manoeuvre et réduit considérablement l'accastillage. Aux allures proches du vent, cette solidarité entre les deux voiles s'apparente à un profil d'aile d'avion. De plus, la forme de la voilure diffère également puisque le mât est plus haut et plus sur l'avant, la grand-voile plus importante et le foc environ deux fois plus petit qu'un foc classique. Cette étude expérimentale sera conduite dans la soufflerie S1L et donnera lieu à une analyse comparative entre les deux types de gréement. Elle visera notamment à la quantification des gains en termes d'efficacité aérodynamique, de finesse de réglage de voile, de facilité de manoeuvre. Deux maquettes représentant chacun des deux gréements à l'échelle réduite, seront réalisées avec les mêmes matériaux et la même surface de voilure. Les grandeurs mesurées seront les coefficients aérodynamiques des forces (Cx, Cy, Cz) au moyen d'une balance de pesées aérodynamiques. Des mesures de vitesses par PIV seront aussi réalisées (pour certaines configurations) afin d'identifier l'influence des systèmes tourbillonnaires et des interactions foc/grand-voile sur les performances aérodynamiques des modèles testés en soufflerie. Retour Haut de page Configuration de véliplanchistes Retour Soutiens/collaborations : FFV, Equipe de France de voile L'étude de la configuration relative à l'ensemble véliplanchiste/voile sera tout d'abord entreprise par l'analyse 3D du mouvement de pumping. Ceci sur la base de séquences vidéo (déjà acquises ou à acquérir) lors de compétitions sportives dans lesquelles les mouvements périodiques sont imposés à la voile par des sportifs de haut niveau (reproductibilité de séquence de mouvements). Cette analyse 3D conduira ainsi à une modélisation cinématique du mouvement, à partir de laquelle les deux approches suivantes seront considérées. Le mouvement de pumping sera modélisé à l'aide d'une combinaison de mouvements oscillatoires élémentaires (de type tamis, tangage, pilonnement), qui conduira à une simulation mécanique du mouvement résultant réel de la voile (isolée) dans le vent de la soufflerie S2L. Dans cette simulation, la voile-maquette sera supposée rigide (mais de géométrie affine et identique à celle de la configuration réelle). La réponse aérodynamique de la maquette animée du mouvement forcé, sera ainsi étudiée pour des conditions paramétriques (fréquences d'oscillation, amplitudes des mouvements, directions du vent apparent, ...) recouvrant pratiquement toutes les situations de pratique. Cette réponse globale et locale de la maquette (assimilée à une demi-aile oscillante) sera en particulier déduite de la mesure des efforts (réalisée aux torsiomètres embarqués), de la mesure des champs de vitesse 3D (réalisée par vélocimétrie laser), ainsi que de la visualisation par PIV des systèmes tourbillonnaires, émis à différentes phases du mouvement lors de phénomènes de décrochage dynamique. Cette étude aérodynamique contribuera à définir, pour une géométrie de voile donnée, une fonction de transfert entre le mouvement forcé qui est imposé à la voile et ses qualités aérodynamiques optimales. La seconde approche sera directement conduite sur l'ensemble véliplanchiste/voile à l'aide d'une simulation à l'échelle réduite (environ 1/2 avec un véliplanchiste adolescent) dans la veine V2 de la soufflerie S1L. Elle donnera lieu à la détermination des efforts instantanés s'exerçant sur la voile en temps réel et au cours du mouvement libre (non forcé et non nécessairement reproductible), qui sera communiqué par le véliplanchiste. L'analyse 3D du mouvement sera là aussi mise en oeuvre pour en déduire la cinématique associée, qui sera alors comparée à celle obtenue dans des situations de terrain. Enfin, l'étude de cette configuration véliplanchiste/voile sera également abordée au moyen de modélisations numériques (à l'aide de codes de type Navier-Stokes ou de couplage écoulement potentiel/couche limite pour l'aspect aérodynamique, et de modèles dynamiques pour l'aspect biomécanique). Ceci en vue d'une optimisation globale de la performance sportive qui tiendra compte de différents paramètres d'optimisation (forme de voiles, type de mouvement, ...). Retour Haut de page Configuration de nageurs Retour Soutiens/collaborations : Service de Santé des Armées, IMN, Décathlon Cette configuration sera étudiée pour des situations de natation s'effectuant soit sur l'eau (nageur de crawl), soit dans l'eau et à de grandes profondeurs (nageur de combat). Dans la première situation, la natation correspond à un déplacement produit à l'interface de deux fluides par des mouvements périodiques. Le corps est à la fois propulseur et projectile et sa déformation correspond à une optimisation de ces deux contraintes souvent contradictoires. L'étude sera ici conduite par analyse et modélisation cinématique des mouvements du crawl. Elle sera orientée vers l'analyse des effets résultant des déformations dynamiques sur la résistance à l'avancement (en particulier la résistance de vague). La seconde situation correspond à celle du nageur de combat dont la propulsion est assurée par un engin tracteur situé en amont. La simulation expérimentale de l'ensemble tracteur/nageur/équi-pement se déplaçant en milieu aquatique, sera réalisée dans la soufflerie S1L sur une maquette rigide constituée de résine de synthèse et représentative de la géométrie de l'ensemble considéré. En particulier, les vitesses de souffleries et les dimensions de l'ensemble considéré permettront de restituer des conditions de simulation en nombre de Reynolds de soufflerie, tout à fait similaires à celles de la configuration réelle en milieu aquatique. L'étude aérodynamique de l'ensemble tracteur/nageur équipé de palmes (soit une palme unique, soit une palme aux extrémités de chaque membre inférieur) sera conduite à partir de la mesure d'efforts globaux et locaux sur les palmes, ainsi que de la mesure locale du champ de vitesse au niveau du sillage généré par le tracteur. L'optimisation aérodynamique sera recherchée tant au niveau des formes de chacun des éléments du tracteur et du nageur (minimisation des effets de décollements, de sillage, ...), qu'au niveau des palmes (efficacité propulsive, mouvement de battement, adaptation des formes, ...). Cette approche sera développée avec le soutien du Service de Santé des Armées et en collaboration avec l'Institut de Médecine Navale (IMN-Toulon). En outre, la caractérisation des paramètres d'efficacité des palmes pour une adaptation aux différentes pratiques sera conduite dans le cadre d'une convention actuellement négociée avec la société Décathlon (incluant notamment une bourse CIFRE). La configuration de l'ensemble nageur-palme sera tout d'abord analysée du point de vue de la cinématique dans les différentes pratiques. Cette cinématique permettra ensuite de reproduire en soufflerie le mouvement d'une maquette afin de rechercher expérimentalement une optimisation du mouvement en relation avec les caractéristiques des palmes. Par ailleurs, la cinématique permettra également, par des techniques de dynamique inverse, de caractériser les efforts aux différentes articulations. A partir du simulateur ainsi réalisé, il sera possible d'étudier expérimentalement sur modèle les conditions d'une efficacité optimale. Retour Haut de page Configuration de cyclistes Retour Soutiens/collaborations : FFC La configuration de l'ensemble cycliste/bicyclette sera étudiée au moyen d'une simulation expérimentale réalisée à l'échelle 1 dans la veine V1 de la soufflerie S1L, dans laquelle pourra être installé un tapis roulant ergonomique. L'étude visera dans un premier temps à la détermination et à l'analyse des frottements fluides engendrés par le mouvement sujet/équipement. A cet effet, le tapis roulant sera équipé d'ergomètres permettant la mesure des forces générées au sol dans les 3 dimensions d'espace. Il sera également instrumenté de capteurs à jauges de contraintes spécifiques pour la détermination des frottements locaux et globaux associés à l'écoulement. Les différentes positions aérodynamiques ou de confort adoptées par le cycliste, ainsi que les différentes fréquences de pédalage mises en jeu seront étudiées en vue de l'optimisation de la performance sportive. En particulier, les conditions de minimisation des forces de traînée induite par frottement fluide sur les performances aérodynamiques et motrices seront recherchées dans cette approche. Retour Haut de page Configuration de gestes de lancer/frappe Retour Soutiens/collaborations : FFT, Association de Boo. La configuration de gestes de lancer/frappe sera abordée suivant deux approches successives et dans un premier temps pour les mouvements relatifs au swing de golf, ainsi qu'au lancer de boomerang. Dans ces deux configurations, une première approche sera conduite à partir de l'analyse 3D du mouvement réalisée dans des situations de terrain, et visera à modéliser la cinématique et les trajectoires des segments corporels et/ou celles des instruments du lancer (club). L'analyse du mouvement sera également appliquée à la détermination des trajectoires des projectiles (balle ou boomerang) qui résultent des gestes de frappe ou de lancer. La connaissance de ces trajectoires conduira alors à aborder le problème de la performance aérodynamique (complexe à cerner car influencée par l'effet Magnus dû à la rotation) de ces projectiles le long de leur trajectoire. Dans cette seconde approche, l'étude de l'aérodynamique et du vol du boomerang, par exemple, sera envisagée de la façon suivante. Le problème du vol du boomerang a le plus souvent été traité de manière théorique, l'étude présente répondra au besoin d'une analyse expérimentale et numérique dans le contexte d'une aérodynamique instationnaire dans laquelle le boomerang évolue. Il est envisagé de coupler les résultats de mesures des efforts aérodynamiques obtenus en soufflerie, à des simulations numériques de trajectoires obtenues grâce aux équations classiques de l'aérodynamique et de la mécanique du vol. Le vol du boomerang répond quasiment aux mêmes principes que celui d'un rotor d'hélicoptère en configuration de vol d'avancement : la rotation des pales fournit la portance et l'inclinaison du plan des pales permet de virer. L'étude expérimentale conduite sur un banc de rotation installé sous la veine d'essais de la soufflerie S1L, concernera différents modèles de boomerang (à l'échelle 1, le nombre de Reynolds n'étant pas ici un paramètre limitatif), qui seront étudiés au moyen de mesures des efforts aérodynamiques globaux et locaux s'exercant sur les pales, et en fonction de différentes conditions initiales (inclinaison de l'axe du boomerang au lancer, vitesse angulaire, pente initiale, ...). Les trajectoires tourbillonnaires émises par les extrémités de pales du boomerang au cours de la rotation, seront déterminées par anémomètre à fils chauds pour différentes conditions paramétriques correspondant à différentes phases du vol. Cet ensemble de données expérimentales sera mis à profit en vue de l'élaboration d'une simulation numérique qui sera basée sur un code de calcul (modélisation de type rotor d'hélicoptère en vol d'avancement), s'appuyant sur la mise en équilibre du sillage. Cette étude numérique visera notamment à tester l'efficacité aérodynamique globale et locale des pales du boomerang en fonction de paramètres tels que : l'épaisseur relative des profils le long de l'envergure, la forme en plan des pales, le vrillage, la géométrie des extrémités, ... Enfin, cette approche expérimentale de l'aérodynamique du boo et de la balle de golf le long de leur trajectoire, sera étendue à l'aspect concernant plus particulièrement la configuration géométrique du projectile, et notamment à l'étude de l'influence de son état de surface (alvéoles, utilisation de films minces de type riblets pour minimiser les frottements fluide et le Cx en présence de l'effet Magnus, ...). Ceci, à partir de modélisations numériques et par la mesure directe des efforts et des coefficients aérodynamiques sur des projectiles de forme sphérique, qui seront montés sur des bancs de rotation. Pour ces modèles sphériques en rotation, les méthodes de vélocimétrie laser (embarquée ou extérieure à la surface en rotation), seront mises en oeuvre pour accéder aux caractéristiques de la couche limite instationnaire soumise aux forces centrifuges spécifiques dues à l'effet Magnus. L'application aux projectiles utilisés dans les pratiques de lancer et de frappe, sera ainsi envisagée à terme pour les états de surface relatifs aux balles de tennis et de tennis de table, ainsi qu'aux ballons de football. Retour Haut de page