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
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 !

 

 

L’engin à voile le plus rapide sur l’eau

.. est une planche à voile ! (standard ?)

En avril 2005, Le Mistral a propulsé Finian Maynard (117 kg, ça aide dans ce sport 😉 ) à 48.7 noeuds sur 500 m sur un canal aux Saintes Maries de la Mer lors de l’événement annuel « Masters Of Speed« .

Observez bien cette video :

  1. Le vent réel arrive au largue, la voile est bordée pour le près bon plein à cause du vent apparent.
  2. Maynard suit soigneusement le bord au vent du canal pour bénéficier de l’eau la plus calme.
  3. Lorsqu’il sort de l’eau, il est content. Mais surtout on voit que sa planche n’a rien de spécial en apparence. Il serait cependant intéressant de savoir si l’aileron a été spécialement étudié pour ces vitesses.

Le record n’a pas été battu ces 2 dernières années, peut-être par manque des conditions idéales de vent. Le prochain objectif de Maynard et ses amis est évidemment de franchir le « mur des 50 noeuds » sur ce canal, mais l’Hydroptère n’en est pas loin non plus, et sur mer.

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. Continuer à lire … « Le mur des 50 noeuds »