Hydroptere

une belle illustration figure sur la page d’accueil de hydroptere.com ces jours-ci:

Cette “simulation de l’écoulement à 52 noeuds” autour du foil au vent de l’Hydroptère est calculée par un code CFD “diphasique” (Fluent je présume?) qui simule à la fois l’eau et l’air. On voit que la dépression sur le dos du foil creuse la surface verte de l’eau, formant la cavité en bleu, marquées par les courbes de niveau noires. C’est donc une simulation de la ventilation.

La circulation de l’air est représentée par les filets verts clair “entrant” par le coin bas droit de l’image et créant le tourbillon dans la partie supérieure de la figure. Quant à la zone rouge/jaune, s’agit-il de la zone susceptible de caviter ? “Blue is good, red is bad, that’s all I know about FEM” disait un responsable marketing de SolidWorks… Avec un bord d’attaque arrondi et un intrados convexe, il se pourrait bien que ce profil cavite aussi “en dessous”

Joli calcul donc, mais c’est plutôt le foil sous le vent qui serait intéressant, avec une vue de la partie immergée, sur laquelle j’ai toujours une idée qui me semble originale …

 

L’Hydrodynamique c’est fantastique !

Dans le même esprit que “plouf ou plop“, voici un autre phénomène hydrodynamique étonnant : le rebond d’un filet de liquide sur une surface du même liquide en déplacement !

Cet effet est du à la présence d’un coussin d’air entre les deux liquides. Visiblement, la surface des liquides où se promènent nos bateaux est plus intrigante encore que les profondeurs.

Références:

• M. Thrasher, S. Jung, Y. Kwong Pang, C. Chuu, H. L. Swinney, “The Bouncing Jet: A Newtonian Liquid Rebounding off a Free Surface“, arXiv:0707.1721v1 [physics.flu-dyn] (2007).
• “rebond de jets liquides” sur StrangePath

Windsurf : ailerons et spinout

Suite à quelques commentaires récents au sujet des ailerons de windsurf ici, voici un petit article sur l’importance de ce petit foil vertical.

Rôle et conception

l’aileron (”fin” en anglais) crée par effet hydrodynamique la force qui s’oppose à la dérive due à la composante de la portance de la voile perpendiculaire à la trajectoire.

forces sur une planche à voile, tiré de [2], forces en livres (lbs)

Pour une planche bien équilibrée, la position optimale du planchiste et de sa voile implique une force latérale sur l’aileron d’environ le tiers du poids total, soit environ 50 kg au maximum.

Les ailerons de windsurf ont un profil symétrique permettant de les utiliser sur les deux bords. La force latérale est créée par un “angle d’attaque” entre la direction d’écoulement de l’eau et l’axe de la planche : le nez de la planche pointe dans une direction légèrement plus au vent que le cap suivi. L’angle d’attaque dépend du profil, mais surtout de la surface de l’aileron : plus l’aileron est grand, plus l’angle d’attaque nécessaire à créer la force latérale est faible.

Le “spinout”

la FAQ de windsurf.rec (en anglais) décrit un phénomène qui surprend parfois les planchistes dans des conditions extrêmes: le “spinout”. Il se manifeste comme un lof brusque, glissade de l’arrière de la planche comme si l’aileron s’était cassé brutalement.

3 causes distinctes ou combinées peuvent provoquer la perte d’efficacité de l’aileron:

1. le décrochage, du à une angle d’incidence trop élevé : l’écoulement de l’eau devient alors turbulent autour de l’aileron
2. la ventilation, due à la présence d’air sous la planche ou de bulles dans l’eau, notamment en réception de saut où l’angle d’incidence peut simultanément être momentanément élevé. L’aileron se trouve alors dans un mélange eau-air turbulent et peu dense.
3. la cavitation, souvent invoquée par ces frimeurs de planchistes sur les blogs ;-). Comme elle ne peut se produire que vers 40-45 noeuds, seuls les chasseurs de records ont peut-être “réussi” à créer une bulle de vide autour de leur aileron…

Remèdes

1. en cas de décrochage (= spinout à basse vitesse), les conseils [4], [5] sont :
   1. réduire la pression sur le pied arrière, voire le tirer à soi en soulevant rapidement la planche par le strap. Ceci réduit instantanément l’angle d’attaque. et rétablit l’écoulement laminaire.
   2. réduire la surface de voilure. Finian Maynard a réalisé son record avec une voile de 5m², soit la moitié des 10m² permis par la classe !
   3. augmenter la taille de l’aileron. Maynard en avait un de 28 cm [3]
2. pour éviter la ventilation, il faut maintenir la planche en contact avec l’eau, donc absorber les vagues avec les jambes plutôt que de sauter à tout va. Il existe apparemment aussi des jupes anti-ventilation censées empêcher l’air de se glisser sous la planche, mais je n’ai pas trouvé d’information concrète à ce sujet
3. atteindre plus de 50 noeuds en windsurf exige des ailerons spécifiques car la cavitation est inévitable à ces vitesses. Quelques pistes:
   1. usiner les ailerons plutôt que les mouler, pour une meilleure précision du profil [7]
   2. concevoir des ailerons à profil asymétrique, utilisables sur un seul bord mais à angle d’attaque proche de 0°
   3. utiliser des profils supercavitants

Références:

1. The Drake Chronicles Page : Physics of Windsurfing sur star-board.com
2. Jim Drake “An Introduction to the Physics of Windsurfing“, 2005
3. A. Kunoth, M. Schlichtenmayer, C. Schneider “Speed Windsurfing: Modeling and Numerics “, 2006, Int. J. of Numerical Analysis and Modeling, Computing and Information, Volume 4, Number 3-4, Pages 548–558
4. discussion sur plusieurs thèmes dont le spinout sur le forum de Starboard.
5. FAQ de windsurf.rec (en anglais)
6. interviews de Ian Fox et Martin Van meurs sur windsurf.me.uk
7. Airfoil Designs Help Improve Sailboard Performance, Gerhard Opel, Tectonics, Maui

Simulateur d’Hydroptère

Sébastien Gros et mes anciens confrères du Laboratoire d’Automatique de l’EPFL ont réalisé et rendu public un programme de simulation dynamique de l’Hydroptère.

(cliquer sur l’image pour voir une video)

Basé sur un modèle Matlab de la dynamique, convertie en C++ et intégré avec des librairies permettant la représentation 3D et l’interactivité, le simulateur est disponible en version exécutable pour Mac (encore un coup de Christophe…) et sous forme de code source “cross-platform” avec toutes les librairies nécessaires. Voyons si j’arrive à en faire une version PC un de ces jours …

La ventilation

Un autre phénomène hydrodynamique ennuyeux pour les bateaux rapides est la “ventilation”.

A ne pas confondre avec la cavitation, ce phénomène est également lié à la dépression causée à la surface supérieure d’un foil, mais aussi à l’arrière de tout profil se déplaçant juste sous la surface de l’eau.

Si la dépression descend en dessous de la pression atmosphérique, l’air est “aspiré” vers le bas et cause un “trou dans l’eau”. Outre un sillage plus important, ce phénomène cause surtout une perte d’efficacité du foil, particulièrement désagréable autour du safran d’un gouvernail : le bateau ne peut plus être dirigé correctement.

Pour contrecarrer cet effet, les foils sont munis de “fences”, petites plaques horizontales destinées à limiter la zone de basse pression vers le haut.

Les bateaux à moteur sont également souvent dotés de plaques horizontales au dessus des hélices, baptisées à tort “plaques anti-cavitation”. En fait elles évitent la ventilation qui pourrait être causée par l’hélice.

L’Hydroptère, ou des ailes au secours d’Archimède

La “Journée de Mécanique 2007″ organisée par la Section de Génie Mécanique (SGM) de l’EPFL était consacrée cette année à l’Hydroptère, projet auquel de nombreux étudiants et chercheurs de l’EPFL collaborent désormais.

Plouf ou plop ?

La nouvelle “Plouf ou plop?” sur “TechnoSciences” est illustrée par cette photo surprenante :

Illustration: © L. Bocquet - CNRS 2007

A gauche, une bille de verre pénètre dans l’eau à une certaine vitesse et produit un petit “plop”. A droite, la même bille de verre entre dans l’eau à la même vitesse et fait un gros “plouf” ! Pourquoi cette différence ?

Le verre est “hydrophile” : l’eau mouille sa surface. A droite, on l’a juste enduit d’une fine couche de silane, un composé très hydrophobe, qui repousse l’eau. Visiblement, cette modification de la “couche limite” suffit à modifier totalement l’écoulement, certainement en relation avec l’apparition de la cavitation.

Ceci montre que même la peinture d’un foil peut avoir une importance cruciale. Après avoir mis au point des produits hydrophobes pour toutes sortes d’applications, voilà un domaine d’application pour un enduit hydrophile.

 

 

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 :

1. 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)
2. 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 !

 

 

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.

Plus vite que le vent ?

Oui, un voilier peut aller nettement plus vite que le vent !

Les principes physiques de la voile sont expliqués de façon simple dans “Comment avance un voilier.

Ce qu’il faut retenir (les maths et la physique seront abordés dans d’autres articles):