Le mur des 50 noeuds

Pourquoi est-il si difficile d’aller vite dans l’eau ? Les avions ont passé le mur du son il y a 60 ans, mais la plupart des bateaux, du contre-torpilleur Le Terrible (45 noeuds en 1935 , le record tient toujours!) à la planche à voile (48.7 noeuds en 2005) n’arrivent pas à franchir 90 km/h. Et sous l’eau, les sous-marins nucléaires modernes plafonnent à 35 noeuds (66 km/h) , leur vitesse de croisière étant plutôt de 20 noeuds (37 km/h).

Le record de vitesse absolu sur l’eau est de 317 noeuds (587 km/h!) , mais “Spirit of Australia” est propulsé par un réacteur d’avion et n’a aucune pièce dans l’eau: il glisse à la surface. Avec simplement une hélice dans l’eau, le record est “seulement” de la moitié : 322 km/h

Pour expliquer la difficulté d’aller vite dans l’eau, j’ai dessiné un profil de foil “pédagogique*” avec SolidWorks et simulé un écoulement d’air et d’eau autour du profil avec FloWorks, le tout en 1h seulement.

fig1 : écoulement d’air à 10m/s (~20 noeuds)

Dans de l’air [fig 1], la différence de pression entre l’extrados et l’intrados est de l’ordre de 40 bars, alors que dans de l’eau [fig 2] elle avoisine 4000 bars à la même vitesse. Donc la portance du foil sera approximativement 100x plus forte dans l’eau que dans l’air à la même vitesse. Pour la même raison, un hydrofoil peut avoir une surface 100x plus petite qu’une aile pour créer la même force à la même vitesse.

fig 2 : écoulement d’eau à 10 m/s (~20 noeuds, 36 km/h)

Le passage à une vitesse de 50 noeuds ne fait que multiplier les faibles effets aérodynamiques par 2.5^2 = 6.25 environ, alors que dans l’eau un phénomène surprenant apparait [fig 3]:

fig 3: écoulement d’eau à 25 m/s (~50 noeuds, 92 km/h)

• Une onde de choc modifie complètement l’écoulement autour du foil.
• de ce fait, n’y a plus de différence de pression notable sur les 2 faces du foil, donc plus de portance !
• Enfin, la densité de l’eau derrière l’onde de choc est très basse. Trop basse pour de l’eau liquide, qui est incompressible : toute la zone en bleu foncé sur la [fig 3] est constituée à 75% de bulles de vapeur qui se forment dans la dépression créé par l’onde de choc.

Ce phénomène s’appelle la cavitation, et il équivaut au mur du son de l’aviation. Il apparait en réalité dès 15 noeuds environ et doit absolument être pris autant au sérieux pour la construction d’un bateau rapide que le mur du son pour un avion de chasse, car, comme nous le verrons dans un prochain article il peut se révéler tout aussi destructeur .

*Note : Le profil n’est pas optimisé ni même bon, il a été dessiné “à main levée” dans un but pédagogique uniquement. Le travail scientifique suivra plus tard…