réalisation d’une petite maquette “2D” pour test de profils de foils
mesure de portance et trainée
simulations numériques avec Fluent et Xfoil
présentation très complète de la cavitation, avec nombreuses vidéos dont une rare de supercavitation (source inconnue):
(regardez bien le profil horizontal : plat dessus, concave en dessous, rien à voir avec un profil “aérodynamique” classique…)
Le travail est d’excellente qualité et donne une très bonne vision globale de la problématique. Le seul reproche que je ferai est que les simulations et tests concernent des vitesses trop basses (10 m/s, 20 noeuds …) par rapport aux challenges actuels.
trouvé sur le blog Foilborne du Moth-iste anglais Adam May :
Une jolie photo de son safran en pleine ventilation (cliquez dessus pour l’agrandir). On voit assez nettement que le “trou dans l’eau” se prolonge jusqu’au bas du safran, et on devine de grosses poches d’air au dessusdu foil. Comme Adam le dit, pas évident de faire cette photo d’une main en gardant le contrôle du Moth de l’autre dans ces conditions …
Une autre idée assez sympa, c’est de monter une caméra au bout d’un tangon, ce qui lui permet de s’auto-filmer tout en changeant l’angle de prise de vue.
Nos amis états-uniens ont quelques caractéristiques bien connues:
ils n’aiment pas être en retard sur qui que ce soit dans le monde
ils voient grand
leur recherche scientifique est largement financée par le budget militaire.
Combinez tout ça et vous obtenez le projet “Underwater Express”. Pour reprendre les points un par un:
l’objectif est de reprendre l’avantage sur les russes dans le domaine de la supercavitation militaire
donc le DARPA a lancé en 2007 un projet de mini sous-marin à supercavitation capable d’emmener un petit commando à la plage à 100 noeuds (!) pendant 1 heure, donc de parcourir 100 milles sous l’eau en faisant des pieds de nez à toutes les embarcations existantes.
L’ “Aile d’Eau” est un très fascinant travail de Luc Armant commencé en 1998-9 alors qu’il étudiait l’Architecture à Nantes, et décrit dans cet impressionnant document de 136 pages (et 36 Mb), extrêmement intéressant à plusieurs titres :
une recherche historique et bibliographique incluant des brevets sur de très nombreux travaux de précurseurs en matière d’architecture navale de voiliers de vitesse
une excellente introduction à la mécanique des fluides et à ses applications aux voiliers rapides
une approche très originale consistant à considérer un voilier comme constitué d’une aile “aérienne” et d’une autre “aquatique”, la coque n’étant qu’un des moyens possibles de lier les deux pour réaliser la fonction désirée…
Pour réaliser une embarcation visant réellement la vitesse pure, Luc propose de réduire la coque à un simple câble reliant les deux ailes, réalisant ainsi ce qu’il appelle un “voilier sans masse”.
A noter que le style rédactionnel est typique d’un travail d’architecture, donc assez déroutant de prime abord pour un ingénieur, mais la cohérence et la rigueur de l’étude s’imposent rapidement
En 2001, Luc a réalisé une maquette de son idée phare : un cerf-volant tractant et un “cerf-plongeant”, tous deux auto-stables et liées par un seul fil traversant la surface, le tout se déplaçant à haute vitesse :
Spectaculairement simple, n’est-ce pas ?
Quelques citations tirées du document, parfois un peu étonnantes voire provocatrices, mais suscitant la réflexion :
Si l’on arrive à Transformer la question du “comment se déplacer vite sur l’eau” en “pourquoi utiliser l’eau pour se déplacer vite” , on a déjà fait un net progrès.
Malgré des ressemblances physiques très fortes, le mouvement liquide est perçu subjectivement de façon très différente du mouvement gazeux. C’est, je pense, la raison principale d’une très fréquente dissymétrie dans l’imaginaire du voilier, dans son analyse intuitive puis dans sa prétendue définition.
Définition : Le voilier est une structure autonome stabilisée en altitude autour de l’interface horizontale entre un liquide et un gaz et se propulsant par l’exploitation de l’énergie contenue dans le différentiel verticalement éloigné des vitesses horizontales (appelé courvent) des deux fluides respectifs.
Le plan sous-marin ou plan hydrodynamique. Couramment nommé dérive pour des raisons inexactes et subjectives (pourquoi ne pas nommer la voile “incidence” ?), il peut aussi s’appeler quille (origine structurelle), plan anti-dérive ou appendice. C’est peut-être parce qu’il est le plan caché qu’on oublie souvent de s’en soucier. Avoir une simple tôle en guise de dérive dérange beaucoup moins que d’avoir une voile mal réglée. D’ailleurs le plan déviateur sous-marin est injustement exclu du mot “voilier”. La nomenclature qui s’y rapporte est largement plus étroite que pour la voile. Pour des facteurs contraires à ceux induisant la souplesse (forte charge alaire, poids moins pénalisant, manoeuvre inaccessible), la dérive est presque toujours de forme rigide épaisse.
Grâce à la propriété essentielle du fluide de ne présenter aucun frottement à vitesse 0, il y a un potentiel de rendement de sustentation (par Archimède) sur l’eau excellent pour des vitesses faibles. Une coque, aussi pesante, volumineuse et grossière qu’elle soit, possède à vitesse zéro un rendement de sustentation infiniment grand.
Le rendement d’une coque élancée finit inexorablement par chuter à haut nombre de Froude. Mais, si l’on peut se permettre des dimensions monstrueuses (de l’ordre de 50 mètres), on peut envisager avec une finesse de coque (=V/L³) de 0.001 (finesse d’un trimaran 60 pieds) des rendements sustentateurs proches de 20 aux vitesses de cavitations (45-50 noeuds). Le rendement sustentateur d’une coque planante atteint difficilement 5. Enfin le rendement d’une sustentation par plans perceurs peut atteindre 11 aux vitesses moyennes (50 km/h) mais baisse très tôt à cause des problèmes de ventilation et de déformation de l’interface.
Pour réussir des vitesses absolues honorables, la seule solution est de trouver des plans d’eau artificiellement abrités, de construire des structures extrêmement fragiles, monodromiques (naviguant sur un seul bord) pour les moins courageux, et de jouer sur l’habilité des pilotes, pour que, quand les rares occasions météorologiques idéales se présentent, des mesureurs officiels puissent dire après dix tentatives infructueuses et un bon coup: record!
J’appelle “aile d’eau” un voilier dont les plans déviateurs sont équilibrés de façon autonome dans leurs mouvements et sont reliés entre eux par à une structure souple en traction simple, présentant un biais par rapport à l’horizontal et résistant à la tension interne en utilisant le minimum de volume et de masse afin de minimiser les trois ennemis de la vitesse: perforation de l’interface, surface mouillée et poids.
L’aile d’eau appartient à la famille des voiliers sans masse. J’appelle voilier “sans masse” tout voilier qui n’utilise directement on poids dans aucune des stabilisations indispensables à savoir: altitude, biais et allure.
L’hydroptère, bien connu en France, est souvent présenté comme essentiellement original. En réalité, ce n’est qu’un voilier pesant car son foil au vent n’est pas capable de créer une déportance, c’est à dire de composante plongeante remplaçant le poids. Tout au plus, l’hydroptère pourrait-il (s’il était plus large et que les centres d’efforts hydro et aéro étaient à la même altitude) créer un couple redressant sans gite par la seule différence (due à la dérive) de sustentation entre les deux foils.
Il y a vraiment une mine de sujets intéressants dans l’”aile d’eau”, et beaucoup d’images et de graphiques intéressants que je ne reproduits pas ici pour des questions de droits, mais je reviendrai certainement dans des posts ultérieurs sur ce travail fascinant.
Les premiers intéressés à aller vite dans l’eau sont, comme souvent, les militaires. Comme indiqué dans “le mur des 50 noeuds“, le destroyer français “le Terrible” détient toujours le record de vitesse des bateaux à déplacement avec 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 tout prix par la suite.
Autour de 1999, il est apparu publiquement que les russes disposaient de torpilles capables d’atteindre 200 noeuds, soit 370 km/h sous l’eau (!!!), les Shkval. Ces torpilles propulsées par fusée tirent parti de la cavitation en créant une grosse bulle autour d’elles, réduisant énormément la friction avec l’eau: c’est le principe de la supercavitation.
Le contact de l’engin avec l’eau se limite à un petit cône à la pointe de la torpille (voir photo ci-dessous), et aux extrémités des ailerons qui “surfent” à la surface de la bulle.
Juste derrière le disque (ou cône, peut-être démonté sur la photo…) qui crée volontairement une poche de cavitation (de quasi vide) sur le nez de la torpille, on voit les tuyères par lesquelles du gaz est injecté pour “gonfler la bulle” et éviter ainsi qu’elle ne se referme sur le corps de la torpille.
A noter que plusieurs sources indiquent que le sous-marin Kursk qui a sombré en 2000 effectuait un test du Shkval, voire un tir de démonstration destiné à la vente de l’engin. Certains prétendent même qu’un ou deux sous-marins US étaient dans les parages pour observer ceci, voire interférer dangereusement. Mais ceci ne nous regarde pas, d’autant qu’il existe désormais un équivalent européen du Shkval : la “Barracuda” de Diehl BGT …
On voit que l’effet de cavitation commence à l’extrémité de l’aileron, comme pour les pales d’une hélice. Dommage que la vitesse ne soit pas mentionnée, ça donnerait une idée de la vitesse maximale d’une planche, à incidence nulle.
Un nouveau bel objet de carbone s’attaque au mur des 50 noeuds : le WotRocket australien a été baptisé et fera ses premiers runs en février sur le spot de Botany Bay cher à MacQuarie Innovation.
La cabine biplace abrite un barreur+règleur de voile (Sean Langman, ancien champion du monde de 18 pieds, australien, of course…) et un équiper régleur de foils (Martin ‘Tacka’ Thompson)
Le team est financé par Graeme Wood, l’entrepreneur internet qui a créé WotIf.com , dont le logo orne l’aile.
Les informations disponibles sont peu claires et les photos inexistantes, mais il semblerait bien que Wot Rocket ait fait le choix de foils supercavitants, comme SailRocket, mais apparemment avec des possibilités supplémentaires, comme l’indique cette phrase traduite d’ici :
“le concept supportant l’approche Wot Rocket est d’induire la supercavitation à basse vitesse, ou le contrôle peut être maintenu (?), et, de là, accélérer vers les hautes vitesses. Andy Dovell (ingénieur naval) indique qu’ils ont la possibilité d’injecter du gaz à l’avant des foils pour induire la cavitation mais, dit-il, ‘je ne pense pas que nous en aurons besoin, car la conception des foils est telle que nous devrions pouvoir travailler sur une serie de gammes de vitesses.”.
Inutile de dire que nous allons suivre ça de très près dans les prochaines semaines. En commençant par un articule sur la supercavitation, très bientôt.
En travaillant un autre domaine d’intérêt, je suis tombé sur le travail de Ron Fedkiw, professeur à Stanford, qui est notamment capable de calculer des choses comme ceci :
Je souligne que l’objectif était le réalisme visuel et non la précision physique, mais il semblerait que les deux mondes de l’animation graphique et de la simulation numérique se rapprochent à grande vitesse…
Encore un intéressante illustration sur la page d’accueil de l’Hydroptère:
La légende dit “Comparatif des écoulements sur les anciens profils à 53 noeuds. le faible écart entre simulation numérique et expérimentation en tunnel de cavitation est riche d’enseignements.“
Traduction : “les anciens profils sont bon à jeter pour franchir 50 noeuds, et l’EPFL a un bon code de CFD pour en calculer de meilleurs”. Allez les gars, faites nous un beau profil supercavitant sur le bas du foil …
des pages spécifiques à chacun des 3 projets de l’Hydroptère (.ch et maxi)
des nouvelles brèves à la manière d’un blog, mais toujours sans flux RSS hélas…
une petite appli permettant de voir un modèle d’Hydroptère en 3D (mais c’est franchement pas terrible, on peut faire beaucoup mieux que ça )
de nombreuses informations montrant que la collaboration Hydroptère/EPFL est en très bonne voie, où j’ai par exemple trouvé cette image très intéressante d’un test en tunnel de cavitation de l’empennage, autour de 50 noeuds
on voit que des nappes de bulles de cavitation recouvrent la moitié de la surface du safran, alors que les foils horizontaux semblent épargnés, sauf à l’extrémité. Peut-être le safran a-t-il quelques degrés d’incidence qui expliquent ceci, ou alors son profil n’est-il pas optimal à ces vitesses : son bord d’attaque plus arrondi que les foils horizontaux pourrait expliquer cette différence.
Pour les curieux, cette page montre des photos de plusieurs types de cavitation
2 commentaires | 
CFD, Hydroptère, Physique, cavitation, supercavitation | Taggé: cavitation, hydrofoils, Hydroptère | 
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Publié par Dr. Goulu
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