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.
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.
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 …
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.
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 !
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. Lisez la suite de cette entrée »
2 commentaires | 
CFD, Hydroptère, Physique, cavitation, supercavitation | Taggé: cavitation, hydrofoils, Hydroptère | 
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Publié par Dr. Goulu
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