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 !

 

 

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 »

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 « La voile, un jeu d’enfants »

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

  1. Une voile fonctionne comme une aile d’avion : plus l’air circulant sur la voile va vite, plus la « force aérodynamique » sur la voile augmente, et donc sa « composante propulsive » qui fait avancer le bateau.
  2. Le « vent apparent » ressenti sur le bateau est la somme du « vent « réel » et du vent du à la vitesse du bateau. Plus le bateau va vite, plus le vent apparent est fort et arrive par l’avant du bateau
  3. Le bateau est freiné par sa « trainée », due au frottement du bateau dans l’eau, et qui augmente très fort avec la vitesse.
  4. Finalement, la vitesse du bateau s’établit à l’équilibre entre la force propulsive qui l’accélère, et la trainée qui le freine.

La vitesse du voilier dépend donc:

  1. de sa construction, qui vise principalement à réduire la trainée:
    • le record de vitesse à la voile est détenu par une planche à voile ! Légère et planant sur la crête des vaguelettes, sa « surface mouillée » est minimale
    • au delà d’une certaines vitesse, les dériveurs légers et les multicoques se mettent à « surfer » : leur coque sort de l’eau, la trainée diminue et ils accélèrent brutalement.
    • les foils permettent de soulever le bateau hors de l’eau, diminuant encore plus la surface mouillée.
  2. de sa direction par rapport au vent réel:
    • « vent debout », directement face au vent, la voile ne fonctionne pas, le bateau n’avance pas.
    • au « vent arrière » , le bateau « poussé » par le vent ne peut pas dépasser une fraction de la vitesse du vent.
      S’il allait à la vitesse du vent (au moteur…), le vent apparent serait nul et les voiles ne créeraient aucune force.
    • aux autres angles par rapport au vent, la vitesse d’un bateau est décrite par une courbe appelée « polaire de vitesse » comme celle ci-dessous, correspondant à un grand voilier de croisière de 32 m (je cherche des polaires de multicoques et de foilers…) On y voit que:
      • les vitesses maximales sont atteintes au « largue », entre 90° et 150° du vent réel
      • à ces angles, le bateau va plus vite que le vent ! Au Coin des experts SEED, on mentionne qu’un multicoque au surf atteint 1.5x la vitesse du vent, et que les bateaux à foils atteignent 2x la vitesse du vent (pas plus ?)
  3. Finalement assez peu de la vitesse du vent réel : avec un vent 2x plus fort, un bateau ne va pas 2x plus vite, comme on le voit également sur la polaire ci-dessous.
    Sauf s’il se met à « surfer » ou à « voler » grâce à ses foils !


(cliquer pour agrandir)

Autre référence: The Physics of Sailing