Dynamic modeling of ships towed by kite

Modélisation dynamique des navires tractés par cerf-volant

¹ ENSTA Bretagne, FRE CNRS 3744, IRDL, F-29200 Brest, France,
nedeleg.bigi@ensta-bretagne.org
² Beyond the sea, 1010 avenue de l'Europe, 33260 La Teste de Buch, France,
yves.parlier@beyond-the-sea.com

Abstract

A dynamic kite flight can affect ship motions. Ship equations of motion associated with the analytical zero-mass kite model are developed. Aiming a realistic amplitude modeling of the kite excitation, a linear modification of the aerodynamic kite specs with the turning rate of the kite velocity heading is proposed. A good agreement with experimental data is obtained. Equations of motion are solved on a reaching path alternatively with a weak and a strong coupling between the ship and the kite. Differences between the two coupling methods become significant when a harmonic of the kite excitation approaches the natural roll frequency of the ship. For the presented case of study, these critical conditions can be avoided with longer tethers or larger kite trajectories.

Résumé

La traction des navires par cerf-volant permet d'économiser du carburant. Cependant, le vol dynamique de cerf-volant peut modifier les mouvements d'un navire. Ainsi les équations du mouvement avec un modèle cinématique de cerf-volant sont développées. Afin de correctement modéliser l'amplitude d'excitation du kite, une évolution linéaire du coefficient de portance et de l'angle de finesse en fonction de la dérivée temporelle de la direction de la vitesse du kite est proposée et donne de bons résultats par rapport à l'expérience. Par la suite, les équations du mouvement sont résolues avec un couplage fort et un couplage faible entre le kite et le navire. Les écarts entre les deux couplages sont importants quand les harmoniques d'excitation coïncident avec la fréquence propre de roulis du navire. Ces conditions sont à éviter car le navire est alors animé de mouvements de grandes amplitudes. Pour le cas d'étude présenté, ces conditions critiques peuvent être évitées avec des grandes longueurs de lignes ou des grandes trajectoires de cerf-volant.