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L'intérêt d'un bulbe d'étrave

Bulbe d'étrave sur un cargo fluvial Appendice avant courant sur les cargos, ferries et certains bateaux rapides de guerre, le bulbe d'étrave est très rare sur les embarcations de plaisance...
A l'heure d'un carburant devenu singulièrement plus onéreux et d'une sensibilisation à un meilleur respect de l'environnement, il n'est donc pas inutile de s'intéresser à ce type de dispositif ainsi qu'aux moyens et coût de son adaptation à nos carènes de plaisance.


Définition
Le bulbe d'étrave est un renflement à l'avant de la coque d'un bateau, au niveau du brion, en dessous de l'étrave.
Bulbe d'étrave sur un cargo fluvial Il ne faut pas le confondre avec la guibre : étrave de bateau de forme tulipée (concave) entre la ligne de flottaison et l'extrémité avant du pont dont la principale fonction est de défléchir les vagues et embruns en particulier lors de la navigation dans le clapot et les vagues courtes, tout en l'empêchant d'enfourner (planter l'étrave dans les vagues).
Une autre sorte de renflement composé d'une tôle de forte épaisseur est appelée à tort bulbe. Il s'agit en fait d'un éperon qui n'a pas pour but l'amélioration de la flottaison mais l'augmentation de la pénétration de l'étrave dans l'élément liquide et l'écoulement de la coque dans l'eau pour gagner en vitesse.
On voit quelquefois évoqué également le nom de perce vague ou wave piercer.
Bulbe d'étrave sur un cargo maritime

Intérêt
La principale fonction du bulbe d'étrave est de créer une vague (onde de type sinusoïde qui court le long de la coque) à l'avant du système normal de vagues généré par l'avancement du navire.
A une certaine vitesse, le creux de cette vague additionnelle coïncide avec le sommet de la vague d'étrave (onde identique en opposition de phase), qui se retrouve annulée : la résistance hydrodynamique est ainsi réduite et le bateau améliore le rapport puissance/ vitesse, puisque la trainée du navire est diminuée.
Bulbe d'étrave sur un cargo maritime Enfin, le dispositif déplace à l'avant la première crête de vague, ce qui augmente virtuellement la longueur à la flottaison du navire et donc sa vitesse maximale théorique (vitesse limite de carène*).
Une amélioration jusqu'à 20 % de la résistance peut être espérée avec un bulbe, mais celui-ci aura souvent besoin de tests préliminaires.
(*) la vitesse critique ou limite de carène est celle à laquelle la vague d'étrave se confond avec celle de poupe, c.a.d. que lorsque le bateau arrive à cette vitesse, les vagues qu'il génère font la longueur du bateau ; pour aller plus vite, il doit monter sur sa propre vague (partir au planing).

Bulbe d'étrave sur un cargo fluvial
Limites
- Le système ne fonctionne que pour une vitesse et une immersion donnée.
- Un bulbe d'étrave implique des contraintes de construction, car il est difficile de le concevoir avec des surfaces développables, plus faciles à former.
- Sur de petits bateaux, la surface de dérive et le volume immergé changent aussi considérablement avec l'ajout d'un bulbe ; il est rarement applicable aux bateaux de petites dimensions.
- Un bulbe est également directement soumis aux chocs de rencontre avec les vagues, notamment dans les cas de tossage, appelé aussi "slamming",Bulbe d'étrave du cargo Bahia de la CGM qui recouvre les mouvements d'un bateau lorsque l'étrave de celui-ci a tendance à effectuer des mouvements verticaux brutaux et à taper dans les vagues (ce phénomène apparaît surtout lorsque les vagues sont prises de face, et sur des coques très plates à l'avant (barges, yachts à moteur), ou au contraire sur les coques très fines et très rapides, plus sensibles au tangage.


Applications
On observe des bulbes :
- sur les cargos pratiquant généralement une navigation à pleine charge et à vitesse fixe.
Un des rares exemples de bulbe d'étrave sur un voilier - sur les navires de guerre comme les frégates pour améliorer leur vitesse.
- sur des ferries, pour entre autre réduire le tangage.
- sur certaines vedettes de la SNSM.
- sur des bateaux de pêche, ceux des chalutiers facilitent la traction du chalut.
- sur de rares voiliers comme le "Elvstrom 38" construit par le chantier danois Coronet (*).

(*) Coronet jouissait d’un énorme succès avec près de 1000 unités construites par an, à la fin des années 70. Au Danemark, la marque était même devenue culte, avant que l’entreprise ne connaisse une importante baisse de ses bénéfices et finisse par disparaître du marché, malgré plusieurs tentatives de sauvetage. Le chantier naval danois Tuco Yacht fondé en 1998 par Pedersen et Frost, reprend en 2006 les droits de Coronet.
Le bulbe d'étrave d'un porte avion de la marine nationale
On trouve plus rarement des bulbes d'étrave en plaisance à moteur, ce qui nous semble une erreur :
- la limitation de la vitesse sur les canaux est un paramètre stable,
- l'enfoncement des embarcations de plaisance est fixe,
- la limitation des vagues induites en canal limite l'érosion des berges,
- l'allongement de la longueur virtuelle de la carène aboutit à un gain en carburant et à une moindre pollution,
- l'augmentation de la vitesse critique d'étrave (*) est un atout précieux en remontée de fleuve ou rivière à fort courant.
(*) Pour mémoire, la vitesse limite de carène se calcule (pour des coques à déplacement) en utilisant la formule : v=(2,4 x racine de L)
ou v est la vitesse en noeud et L la longueur en métre, ce qui donne pour une coque mouillée de 11 m
2,4*racine (11)=2,4*3,316625 = 7,96 noeuds.
(à multiplier par 1,852 pour obtenir cette vitesse en Kilomètres/heure)

* Le coefficient 2,4 est une moyenne ; il peut varier de 2 à 2,7 selon la forme de la carène arrière, et sa capacité à récupérer une partie de l'énergie de la vague d'étrave.

Forme et dimensionnement
On trouve des bulbes de section ronde, ovale, voire angulée.
Bulbe d'étrave à Sète Le dimensionnement d'un bulbe d'étrave repose aujourd’hui plus sur l’expérience que sur des calculs précis des chargements d’impacts hydrodynamiques.

Selon la thèse de doctorat de l’UNIVERSITE de BRETAGNE OCCIDENTALE sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne - Ecole Doctorale SICMA [E.D. 373] Mention : Sciences Pour l’Ingénieur (Spécialité : Mécanique des Matériaux, des Structures et des Fluides) présentée par Alan TASSIN, en février 2011 :
"Le bulbe d’étrave est beaucoup moins élancé que le navire dans son ensemble. En effet, la longueur des sections horizontales du bulbe est seulement de l’ordre de 2 à 3 fois plus importante que la largeur de ces sections.
Bulbe d'étrave sur un cargo fluvial Nous pouvons anticiper qu’une approche basée sur la méthode des tranches, qui consisterait à effectuer des calculs bidimensionnels sur des sections verticales de la structure, est inadaptée pour des structures si peu élancées.
En effet, dans le cas d’un paraboloïde elliptique, en se basant sur la théorie classique de Wagner (*) 2D et 3D, Scolan et Korobkin (2001) ont montré qu’une approche basée sur la méthode des tranches conduisait à une surestimation de l’effort d’impact hydrodynamique, par rapport à l’approche tridimensionnelle, pouvant atteindre 30 % pour la plage d’élancement nous intéressant. Il est donc nécessaire d’adopter une approche réellement tridimensionnelle pour traiter correctement le problème de l’impact hydrodynamique des bulbes d’étrave
."
(*) Le problème de Wagner tridimensionnel consiste à déterminer la ligne de contact de façon à ce que la condition de Wagner soit respectée.

Bulbe d'étrave sur un cargo fluvial Pour qui se donne la peine de consulter la galerie de photos sur le site de la marine marchande (en lien de bas de page), il pourra s'étonner de la grande diversité de profil des bulbes réalisés :
- certains sont plus courts,
- d'autres plus fins,
- d'autres encore possèdent une sorte de bosse...
C'est un peu étonnant pour des appendices répondant, en théorie aux mêmes calculs.
Une partie de la réponse tient sans doute à des corrections visant à limiter l'effet de tossage (slamming) dû aux vagues lors du tangage.


Tests sur petite plaisance
Projet de bulbe d'étrave sur une vedette hollandaise acier N'ayant trouvé aucun partenaire français fiable ayant une expérience sur l'adaptation de ces bulbes d'étraves sur les petites unités de plaisance (moins de 15 mètres), nous avons décidé de passer à l'action en équipant 2 de nos bateaux test (vedettes hollandaise de 9 et 11 mètres).
L'un aura la forme générale d'une torpille, tandis que le second portera une bosse sur sa partie supérieure.

- La première difficulté résidait en la modélisation (purement empirique, compte tenu des données disponibles et de la variété des formes et tailles constatées sur les gros bâtiments issus des chantiers marines les plus importants).
Vous trouverez ci-contre le projet de travail retenu.

- La seconde difficulté consistait à trouver l'artisan capable de réaliser, d'ajuster et de souder le bulbe projeté en tôle d'acier ; ce travail demandant le savoir-faire et l'outillage adapté pour couper, cintrer, enrouler et meuler ce type de matériau.
Nous avons trouvé un partenaire capable de respecter ce cahier des charges, tout en nous offrant la possibilité de vérifier les cotes sans sortir les bateaux grâce à ses qualités de plongeur très bien équipé.
Un devis a été établi.

Première phase : la prise de cotes
Prise de cotes pour la fabrication d'un bulbe d'étrave sur une vedette hollandaise acier Frédéric et Benoit, plongeurs professionnels sont venus prendre les cotes précises sous l'eau de la partie immergée de la proue afin qu'ensuite, le bulbe réalisé s'y emboîte parfaitement.
- fixation sous le milieu de carène d'une règle en U maintenue au moyen de 2 sangles à cliquet entourant la proue et le bau, puis mise dans l'axe avec un niveau.
- fixation d'un fil à plomb à la tombée de proue pour définir l'axe vertical.
- reprises des côtes initiales, selon ces axes.
- prise d'empreinte du galbe de la partie immergée de l'avant de carène avec un grillage semi rigide.

Deuxième phase : la réalisation du bulbeVue de l'intérieur du bulbe d'étrave
Nous avons choisi une tôle de 4 mm, pour rester en cohérence avec l'épaisseur de la tôle de coque.
C'est Frédéric qui se charge de la réalisation à l'aide des matériels de chaudronnerie adaptés : tronçonneuse, meuleuse, plieuse et enrouleuse à métaux ainsi qu'un poste à souder MAG.
Il est prévu d'installer une trappe de visite, ainsi qu'une évacuation pour laisser la possibilité de ballaster l'appendice et de surveiller toute corrosion éventuelle lors des sorties d'eau.
De même, l'intérieur du bulbe est traité avec une peinture anti-corrosion.
Ajustement du bulbe d'étrave
Troisième phase : la greffe du bulbe
Voilà, le bateau est sorti d'eau à Briare sur la plateforme technique du chantier Charmes Nautiques d'Alain Charmetant.
Frédéric Boissay présente le bulbe sur un entassement de palettes et de cales portés par une petite remorque.
Il est ajusté à la meuleuse, ce qui n'est pas une mince affaire compte tenu de la ligne de fuite de l'étrave et de la présence du tunnel du propulseur d'étrave, qu'il faut intégrer pour ne pas perturber son action.

Lorsque la forme est suffisamment approchée, les Pointage du bulbe d'étravealignements et azimut corrects, le bulbe est pointé puis soudé avec un poste à argon.

Bruno Chanal, le populaire capitaine du port de Briare le compare dans son blog à l'inoubliable auto description de son nez par Cyrano de Bergerac d'Edmond Rostand.

Quelques particularités intéressantes de ce bulbe d'étrave imaginé par Paul de Haut :
- une large trappe de visite inférieure pour à la fois pouvoir traiter les soudures intérieures et permettre des visites de contrôle de corrosion, à la prochaine sortie d'eau ; le joint d'étanchéïté de cette trappe est en cuir (merci Frédéric).Trappe de visite inférieure du bulbe d'étrave
- un orifice à bouchon en partie haute pour régler l'assiette du bateau par ballastage ; avant la mise à l'eau le contenu d'un bidon de 5 litres d'antigel alimentaire y est versé pour parer à d'éventuels risques de gel (merci Gilbert).
- une tige filetée de diamètre 10 mm a été soudée en pointe de la partie bombée pour autoriser le rajout de "coiffes" de différentes formes sans avoir à sortir le bateau, afin d'en mesurer l'impact hydrodynamique sur la vague d'étrave.

Dernière précaution, une double couche de résine époxi "Interprotect" d'International a été badigeonnée à l'intérieur en insistant bien sur les soudures et la partie d'étrave emprisonnée.Bulbe d'étrave terminé

Question déco, le bulbe a bénéficié comme les oeuvres vives de plusieurs couches de Métagrip, après ponçage à blanc de la tôle.
Un anneau rouge reprend le liseré de la ligne d'eau et visualise ce dépassement inhabituel pour une vedette hollandaise (un des éclusiers l'a qualifié de bouton pressoir pour ouvrir les écluses:-) et ce n'est que le début d'une longue carrière de comparatifs du même tonneau...

Essais
Observations générales :
- indéniablement, le bateau batille moins.
- de même, il tient encore mieux la trajectoire (moins de corrections à la barre).
- si le bulbe est à fleur d'eau à l'arrêt, la vitesse le maintient à environ 15 cm au dessous de la surface.
- les manoeuvres en escale (usage du propulseur d'étrave) ne semblent pas affectées par la présence du bulbe.

Premiers relevés effectués
Sur canal et sans vent pour ne pas fausser les relevés, au GPS (Garmin 620).

Tours/ minute sans bulbe avec bulbe gain
1100 t/min 7,4 km/h 7,22 km/h - 2,43 %
1200 t/min 8 km/h 7,96 km/h - 0,50 %
1300 t/min 8,4 km/h 8,33 km/h - 0,83 %
1350 t/min 8,5 km/h 8,51 km/h 0 %
1400 t/min 8,6 km/h 9,07 km/h 5,46 %
1500 t/min 9,1 km/h 9,63 km/h 5,82 %

Deuxième série de mesures dans les mêmes conditions de navigation mais à l'aide d'un chronomètre mécanique et au passage des PK, pour les confirmer.

Tours/ minute sans bulbe avec bulbe 1 gain
1100 t/min 7,4 km/h 7,8 km/h 5,4 %
1200 t/min 8 km/h 8,7 km/h 8,75 %
1300 t/min 8,4 km/h 8,4 km/h 0 %
1350 t/min 8,5 km/h 10 km/h 17,64 %
1400 t/min 8,6 km/h 9,03 km/h 5 %
1500 t/min 9,1 km/h 10,39 km/h 5,82 %


Nouvelle coiffe pour le bulbe d'étrave Interprètation
Les relevés effectués avec le GPS ne semblent pas aussi fiables que lorsqu'ils sont établis de façon plus conventionnelle.
L'amélioration varie de 0 à plus de 17 %, selon le régime moteur; celui qui semble le plus adapté étant 1350 t/mn.

Après ces premiers essais avec une coiffe parfaitement demi-hémisphèrique, un nouveau modèle a été façonné (photo-ci-contre avant finition) pour d'autres essais.
Il présente la caractéristique d'avoir une forme plus busquée en dessous qui devrait faire remonter un peu plus le bulbe à vitesse élevée.


Tours/ minute sans bulbe avec bulbe 2 gain
1100 t/min 7,4 km/h 7,66 km/h 3,51 %
1200 t/min 8 km/h 8,78 km/h 9,75 %
1300 t/min 8,4 km/h 9,16 km/h 9,04 %
1350 t/min 8,5 km/h 9,45 km/h 0,59 %
1400 t/min 8,6 km/h 9,64 km/h 5,93 %
1500 t/min 9,1 km/h 10,75 km/h 18,13 %

Cette nouvelle série de mesures semble indiquer que le gain est plus intéressant sur une vitesse mieux adaptée à la navigation sur canal ; présence d'un creux à 1350 tours avant de remonter à partir de 1400 tours/mn.
A prendre en compte : sur un canal, aux bords droits et de largeur forcément limitée, une bonne partie de la poussée déplaçant l'eau, la renvoie presque immédiatement vers le bateau, ce qui le freine notablement.

Prise de cotes pour la fabrication d'un bulbe d'étrave
La boule d'étrave
L'ingénieur Charles Liurette, déjà évoqué sur ce site, propose une solution innovante pour éliminer la vague d'étrave.
Il s'agit de maintenir en avant de l'étrave, une boule solidaire d'un robuste tube métallique lui-même fixé au davier de tête de pont avant (comme visualisé par croquis ci-contre).
L'intérêt du dispositif est multiple :
- mise en oeuvre sans avoir à sortir le bateau,
- pas de prise d'empreinte compliquée et de façonnage onéreux (si l'on passe par de la récup, car le coût de 2 demi-sphères dépasse les 600 € hors façonnage final - Ndlr)
- pas de soudures sur la coque, avec leur cortège de risques et d'obligation de retraitement de la zone de jointure.
Boule d'étrave installée sur le Blue-Star - possibilité de réglage en hauteur.
- possibilité de réglage en distance avant (ce qui n'a pas été mis en oeuvre, sur cet exemple).
Ces réglages permettent d'optimiser de façon fine, et sans aucun calcul compliqué, la position pour laquelle la vague d'étrave est la mieux absorbée par le dispositif, selon la vitesse de croisière.

Les premiers essais effectués par Charles ne font pas ressortir un changement notable de performances entre la proue avec et sans boule.
Il est prévu qu'il refasse une batterie de mesures après avoir remonté un peu le dispositif.

Si d'ici là, d'autres personnes travaillant in vivo sur ces sujets veulent partager leur expérience, ils sont évidemment bienvenus à bord (voir lien contact).


Forum
D'abord bravo pour votre site qui est extrêmement intéressant et utile. J'ai tout particulièrement apprécié l'article sur les bulbes d'étrave.
J'ai une question sur ce bulbe que vous avez réalisé, et une suggestion.
Ma question : pourriez-vous prendre en photo la vague d'étrave à vitesse constante, aux différents régimes moteurs que vous avez indiqués dans votre tableau ? L'intérêt étant de voir si on peut constater visuellement le régime pour lequel le bulbe est le plus efficace (par exemple si ce régime correspond au moment où le creux de la vague d'étrave atteint l'arrête/ le milieu de la proue.) Ce critère permettrait d'ajuster la longueur du bulbe en fonction de la vitesse de croisière souhaitée.
Ma remarque : n'avez-vous pas été tenté de réaliser une extension à l'arrière de votre vedette (que je suppose de proue carrée) pour recréer une vraie carène à déplacement, ce afin de récupérer l'énergie de la vague d'étrave et diminuer encore la consommation ?
Par exemple sur ce site http://www.jph-lamotte.fr/files/tech_theoreme.htm on trouve des informations au sujet des formes de coques qui minimisent la consommation. Cela permettrait peut-être à terme de coordonner ensemble, bulbe, carène hélice et régime moteur de rendement maximal.
En ce qui concerne bulbe et ou modification de la forme de la proue, j'envisage à moyen-terme de faire la même modification que vous, mais peut-être dans un style démontable avec deux ou trois boulons, pour les enlever au port (plus long, plus cher !).

G.M
Réponse
Il n'est pas prévu de faire des photos de la vague d'étrave, comme vous le suggérez.
Cela n'apporterait - de notre point de vue - pas grand-chose à la façon de le concevoir, sauf dans le cadre spécifique d'un bassin de carène, auquel nous n'avons malheureusement pas eu accès pour l'instant..
Ce qui est le modèle à approcher est la création d'une pré-onde suffisante pour "aplatir" au mieux l'onde de proue dans la vitesse d'utilisation envisagée.
Nous connaissons forcément les publications de JP. Lamotte, et leur pertinence sur ce sujet.
Dans notre cas, l'optimisation du profilage de la poupe immergée, est forcément envisagée mais représente de gros travaux que nous hésitons à entreprendre...
De plus, la modification d'une poupe carrée vers une poupe fuyante augmenterait pour le coup, la longueur administrative du bateau.
Par contre le bulbe ne dépassant pas le niveau de la proue du bateau, ne change rien à sa longueur légale et n'a donc aucune incidence sur le prix à régler pour votre emplacement au port.

Pour que cela fonctionne, il faut que le bulbe soit immergé en permanence, donc exclus les voiliers qui sortent leur étrave de l’eau trop souvent. Il faut aussi que la vitesse ne dépasse pas la vitesse de carène, donc ne déjauge pas (pas de carènes à semi-déplacement et de carènes planantes). Même lège, cela fonctionne encore un peu par l’allongement de flottaison procuré par la proéminence du bulbe. Une évolution du bulbe est le rostre inventé par Pentocarène (*) que l’on peut voir sur les dernières vedettes de la SNSM par exemple. Le principe reste le même aux basses vitesses. Mais au voisinage des vitesses plus élevées le bulbe de par ses formes anguleuses se comporte comme une seconde étrave. Dans la mer formée le bulbe améliore la sécurité parce qu’il permet une longueur maxi à la flottaison mais aussi un tulipage des formes souvent obtenues en guibrant l’étrave.
J.C
(*) "pentocarène" désigne un concept de carène dessiné par l'architecte Didier Marchand, se généralisant notamment sur les canots de sauvetage ; il est caractérisé par un rostre à l'avant et des flaps hydrauliques à l'arrière, pour améliorer l'avancement dans la mer formée (NDLR).

Attention, lorsque l'étrave est plutôt verticale, il faut un davier qui va loin en avant pour ne pas avoir de problème avec l'ancre à la remontée.
Laurent.

Contrairement à l'idée communément répandue chez les architectes de voiliers, qui continuent à dessiner des proues effilées sensées "couper l'eau" plus efficacement, il serait temps de s'intéresser de près aux bulbes de proue.
James B.

Le "Normandie" n'était pas le premier navire à utiliser cette innovation, utilisée de nos jours de façon quasiment systématique sur tous les gros bâtiments. En effet, des bulbes de proue étaient déjà présents sur le "Bremen" (Brême SS 1929) et le "Taylor".
M.D

Je confirme, le bulbe n'apporte un plus que sur un bateau à moteur qui va assez vite et conserve son assiette.
G.V

Une étrave de navire gagnerait à être toute ronde, comme sur les sous-marins ou les torpilles. Mais un bateau navigue dans une interface eau/air ; pour "passer les vagues", il vaut mieux une étrave fine en lame de couteau. Les systèmes à bulbe sont donc un compromis : étrave fine en lame à la surface et au dessus, étrave ronde en dessous. Ca ne marche que sur les navires d'une certaine taille qui ne tanguent pas trop parce que si on sort le bulbe de l'eau à chaque passage de vague, c'est catastrophique.
H.C


Autres liens connexes
- Galerie de photos de bulbes d'étraves
- L'épopée du Rusina-bulbosa



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