La Cavitation
Bulles
La cavitation est un phénomène hydrodynamique découvert en 1917 seulement, qui peut apparaitre dès qu’un objet solide se déplace à plus de 15 noeuds dans l’eau. Il est surtout connu dans le domaine des hélices et des aubes de turbine, mais dans un précédent article on a vu que la cavitation empêche aussi des profils hydrodynamiques comme des foils, des quilles ou des gouvernails de fonctionner correctement aux alentours de 50 noeuds et au delà.
bulles de cavitation aux extrémités d’une hélice
Destruction
La cavitation a également un effet destructeur : les pièces solides en mouvement rapide dans l’eau sont gravement dégradées par un effet assez incompréhensible de prime abord. Comment comprendre qu’une hélice en acier puisse être rongée en quelques heures par des bulles de vapeur froide ?
Hélice dégradée par la cavitation
Comme on l’a vu, les bulles se créent dans les dépressions car l’eau est incompressible. Mais les bulles implosent ensuite de façon très brutale dès qu’elles se retrouvent dans une zone où la pression est plus élevée, créant une onde de choc suffisamment forte pour désagréger localement la matière!
Mur du son !
Dans un précédent article , un parallèle a été fait entre le mur du son et la cavitation, ce qui peut sembler un peu audacieux. Cette idée est cependant renforcée dans cette page qui indique que la vitesse du son dans de l’eau contenant entre 10% et 90% de gaz est de 25 m/s environ, soit … 50 noeuds!
Comment éviter la cavitation ?
Tout comme les avions supersoniques ont des ailes différentes des avions lents, les engins destinés à dépasser 50 noeuds dans l’eau doivent être conçus différemment. Le site de l’entreprise Supramar AG (suisse… encore …) propose quelques pistes :
- les bords d’attaque des profils doivent être vifs pour “séparer le flux” sans créer de vaste dépression (voir exemples de profils “SEABUS” de Supramar)
- on peut injecter de l’air à certains endroits du profil pour permettre à la dépression de se créer sans les inconvénients liés à la cavitation “naturelle”.
Ces concepts sont proches de ceux de la supercavitation qui permet à des torpilles russes propulsées par fusée d’atteindre 100 m/s (200 noeuds, ~400 km/h ) sous l’eau !
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12 mars 2007 à 09:29
[...] Foilers ! plus vite que le vent à la voile « La Cavitation [...]
3 novembre 2007 à 01:01
[...] voit que des nappes de bulles de cavitation recouvrent la moitié de la surface du safran, alors que les foils horizontaux semblent épargnés, [...]
4 janvier 2008 à 06:12
[...] 44.9 noeuds depuis 1935. Il est probable que son hélice tournait alors dans une grosse poche de cavitation, phénomène que tous les navires et qui plus est les sous-marins ont tenté d’éviter à [...]
9 mars 2008 à 02:35
Mon prof de méca fluide m’avait parlé de liquéfaction de l’eau du à la rapidité d’une coque. La couche limite de l’eau et de la coque
sont collés et donc vont à la même vitesse. Plus l’eau va vite et plus la pression diminue (c’est Bernoulli). Et dans ce cas précis si la pression diminue trop alors l’eau change d’état (là c’est la termodynamique avec la loi des gaz parfait appliqué à bernoulli). Et donc de mini bulles de “vapeurs d’eau” se forment sous le bateau.
serait-ce dans le cas de bateaux à voile et autres engins à vent possible?
c’est une question!
Thomas
9 mars 2008 à 09:28
Absolument Thomas, c’est exactement ce qui arrive autour de 50 noeuds, d’abord sur les surfaces (convexes) qui créent des dépressions, donc les plans anti-dérive et les safrans pour commencer.
Tu peux voir une belle image de ceci sur le foil de l’Hydroptère ici
A plus haute vitesse encore, on peut imaginer que ça concerne toute la “coque” de l’engin, comme dans le cas des torpilles à supercavitation
Un point qui n’est encore pas très clair concerne les engins de surface fonctionnant par “pression dynamique” et n’ayant pas de zone en dépression (sauf peut-être à l’arrière) comme les kiteboards. Il est possible qu’ils ne cavitent pas du tout, alors que l’aileron des windsurfs se met à faire des spinouts vers 50 noeuds. (qui va nous faire une planche de windsurf sans aileron, qui s’incline dans l’eau comme un kiteboard ?)
A plus haute vitesse encore, pour les fusées à moteur, je ne sais pas du tout à quoi ressemble l’eau sous la coque de Spirit of Australia. Toute info est bienvenue…
(P.S. le blog “Science à Voile” de Thomas est très chouette, je l’ai ajouté aux liens)
10 mars 2008 à 10:45
Bonjour,
Avant que n’apparaisse le phénomène de cavitation tel qu’on le définit (vaporisation de l’eau), n’y a-t-il pas un phénomène de dégazage de l’eau par les gaz dissous ?
Quelqu’un connaît-il un document d’étude de ce phénomène ?
–
Gérard
15 mars 2008 à 02:09
Bonjour,
Petite question la cavitation se produite vers 40 nœuds ou vers 15 nœuds.
Il y a deux informations un peut contradictoire.
D’abord c’est 40 nœuds dans la page .
15 mars 2008 à 11:42
Bien observé, mais ce n’est pas contradictoire, car l’apparition du phénomène dépend beaucoup non seulement de la vitesse, mais aussi (beaucoup) de la forme de l’objet, voire de sa surface (voir l’article “Plouf ou Plop“
Donc, ça PEUT intervenir dès 15 noeuds sur un objet qui n’a pas été étudié pour se déplacer dans l’eau (disons un bout de rocher), et c’est INEVITABLE même sur un profil super étudié dès 40 noeuds (environ).
Au début ça fait juste des petites bulles par ci par là, puis des nappes de plus en plus grandes qui diminuent l’efficacité du profil jusqu’à le rendre totalement inopérant lorsqu’il se retrouve dans une grosse bulle de vide. Ceci peut aussi se produire très brutalement lors d’un changement d’incidence du profil : ton aileron (ou ton safran) va très bien et quand tu essaie de manœuvre de 1 degré, hop! ça dérape.
A mon humble avis, les bateaux ne franchiront pas les 50 noeuds sans profils supercavitants, qui fonctionnent en “surfant” dans la bulle de cavitation. Les planches sans ailerons (de kite) iront peut être plus vite avant, si elles trouvent des surfaces d’eau assez lisses…
25 avril 2008 à 05:28
J’ai vaincu la cavitation!
Bon OK il s’agit de science fiction
J’ai publié une nouvelle de 20 pages sur le futur de la course à la voile et ca parle beaucoup de foils et de cavitation.
http://apreslebaril.tuxfamily.org/
Je serai intéressé par avoir votre avis sur d’éventuelles erreurs que j’aurai pu écrire.
Si ça vous intéresse de publier un article ou directement la nouvelle, pas de problèmes (licence creative commons)
Cordialement
17 mai 2008 à 10:00
[...] ça revient à accepter qu’il y ait de l’air sur l’extrados du foil, donc pas de cavitation proprement dite. Dans ce cas de figure, la portance serait générée surtout par la “pression [...]
21 mai 2008 à 02:50
Bonjour,
Je ne connaissais rien à la cavitation avant de lire cette page et je me demandais si on pouvait avoir un phénomène de cavitation lors du passage d’une rame d’aviron dans l’eau ou est ce seulement la rame qui emporte de l’air dans l’eau???
21 mai 2008 à 06:52
Je ne pense pas qu’une rame atteigne dans l’eau la vitesse nécessaire à l’apparition de la cavitation, soit au moins 20 nœuds (40 km/h). Peut-être juste au moment de l’impact, en faisant exprès …
Par contre, il se produit certainement de la “ventilation” (voir cet article ) qui se manifeste comme si “la rame emporte de l’air dans l’eau” même si le mécanisme physique est très différent (il faut souffler de l’air très fort pour qu’elle pénètre dans de l’eau … )
Tout solide qui se déplace dans un fluide y crée des zones de haute pression (devant et dans les creux) et des zones de basse pression (derrière et sur les bosses). La rame s’appuie sur l’eau (pression élevée) mais elle crée également une dépression qui aspire la surface de l’eau.
En résumé : grosse poche d’air raccordée à la surface = ventilation / petites bulles autour d’un objet sous-marin rapide = cavitations