(Hélices VEEM dans un tunnel d'essai de cavitation montrant la formation d'une cavitation en nappe stable du côté basse pression de la pale).

La cavitation est principalement une mise en ébullition de l'eau.:

Lorsque la pression ambiante devient inférieure à la pression de vapeur saturante la cavitation apparaît. La cavitation peut être provoquée par un réchauffement de l'eau ou bien par une baisse de pression. Le phénomène de cavitation observé sur les hélices ou les hydrofoils est principalement provoqué par la baisse de pression de l'eau localisée dans les zones ou une chute de pression est observée. .

• La pression de vapeur saturante de l'eau à 0 degrés est de 0.006 bars(600 pascals 1 pascal=1newtons appliqué sur 1m²) et de 0.013 bars(1300 pascals) a 10 degrés. Nous caviterons donc plus facilement dans une eau chaude que dans une eau froide.
• La profondeur d' immersion de l' hélice génère de la pression statique et repousse la limite de cavitation en augmentant la pression du milieu. Une hélice en profondeur cavitera donc moins vite qu 'une hélice proche de la surface:

Visualisation des pressions à la surface d'une hydrolienne dans le logiciel Heliciel:

 

De quels leviers dispose t'on pour éviter la cavitation? :

• Augmenter la surface d'application de la force de portance.
  • en augmentant le diametre de l'hélice.
  • en augmentant la largeur de corde des pales.
  • en repartissant la portance sur un maximum de surface, grace a la forme du profil déterminant la position du point d'application de la portance
  • en augmentant le nombre de pales.
• Diminuer la portance.
  • en diminuant les angles d'incidences.
  • en diminuant la vitesse de rotation.
• Augmenter la profondeur d'immersion (la profondeur est entrée dans l'onglet optimiser) pour augmenter la pression statique du milieu..
• Diminuer la température du liquide. (pour modifier la temperature du liquide et donc sa limite de cavitation cliquer sur modifier fluide dans l'onglet "données projet / fluide" et selectionnez la temperature)

Voyons de plus pres comment la cavitation apparait et comment la détecter lors de la conception d'une hélice:

Résultats détaillés de distribution pression par élément pale dans Héliciel

• Deux sources principales de baisse de pression pouvant créer de la cavitation peuvent être générées par notre pale:

1. La portance appliquée sur l'extrados est le résultat de la dépression générée par la forme du profil. Si cette dépression abaisse la pression ambiante au dessous de la pression de vapeur saturante, la pale cavite. Cette cavitation forme une poche de gaz qui couvre le point de dépression maximum concentré autour du centre de portance du profil. Si elle reste localisée sur la pale sans dépasser le bord de fuite, la portance ne s' effondre pas forcement, car la dépression de la poche continue à aspirer l'extrados, mais l 'élasticité du gaz de la poche empêche d' augmenter la portance aussi efficacement que dans le liquide.Toute augmentation de portance sera transformée en détente du gaz. Il s'en suit une augmentation du volume de la poche et de sa surface en contact avec l'extrados. Cette augmentation de surface de dépression permet d'augmenter encore la portance, mais Lorsque la surface de la poche atteint le bord de fuite et couvre toute la largeur du profil, les performances s' effondrent. Certaines recherches aboutissent au constat que lorque la poche de cavitation reste modérée elle permet meme d'augmenter les performances du fait qu'elle diminue le frottement. Mais les variations constantes des conditions de fonctionnement des hélices rendent cette plage tres complexe a maitriser, et l'on preferera ne pas risquer une perte totale de performances, en restant le plus éloigné possible de la zone de cavitation.
2. La traînée de forme de profil est elle aussi génératrice de dépression, localisée sur l'arriere du profil. Si la traînée s' applique sur une surface équivalente a la surface frontale (profils super cavitants) ceci abaisse la pression ambiante au dessous de la pression de vapeur saturante, la pale peu caviter.

Il est donc essentiel d' évaluer si la cavitation reste concentrée autour du point de portance ou si elle s' applique sur toute la surface du profil. Afin de mieux évaluer le risque de pertes de performances, Heliciel différencie donc 3 types de dépressions su la pale d'hélice:

1. Dépression concentrée (portance appliquée symétriquement autour du point de portance)
2. Dépression répartie sur la surface(portance appliquée sur toute la surface)
3. Dépression de traînée appliquée sur une surface égale a la surface frontale

Courbes d'évolution du risque de cavitations concentrée, de trainée, et de portance répartie en fonction de la vitesse de rotation dans heliciel Onglet optimiser/(analyse multiples points de fonctionnement) :

Affichage du risque de cavitation (trainée,portance repartie,portance concentrée) pour chaque éléments du pied au bout de la pale.

Comment La forme du profil permet de gérer la répartition de la dépression sur l'extrados donc la tendance à caviter d'un profil?

la portance appliqué sur la surface de l'extrados de pale nous donne la dépression due a la portance. Mais comme nous l' avons vu plus haut, cette portance n'est pas uniformément appliquée sur l'extrados, en fait le point d' application de la portance sur les profils est généralement situé autour de 0.25 fois la corde de profil en partant du bord d'attaque.(Héliciel utilise les données du profils pour trouver le point de portance).

extrait de la base de données HELICIEL

La dépression est concentrée autour du point de portance et l'on peu estimer approximativement que la dépression sera égale à la portance appliquée symétriquement autour du point de portance, soit 0.25 devant et 0.25 derrière, ce qui réduit la surface d' action a 0.5 fois la surface de l'extrados si le point de portance est à 0.25 fois la corde.La dépression max sera donc: Dépression = (portance N)/ (0.5 X surface_extrados) . Si le point d' application de la portance sur le profil est situé à 0.35 du bord d'attaque, héliciel considère que la zone de dépression est concentrée sur (0.35 X2) = 0.7 fois la surface de l'extrados. On peu imaginer qu 'un profil générant sa portance le plus proche possible du centre de sa corde, (0.5) répartira sa portance sur toute la surface de son extrados, donc diminuera la dépression max. Les profils avec un point de portance reculé sont donc moins sujets à la cavitation!

• Comment reconnaître un profil à point de portance reculé? L' incidence du profil joue un rôle sur la position du point de portance, mais nous allons la laisser de coté pour juste nous intéresser à la forme du profil et du premier coup d' oeil deviner ou va se situer le point de portance:

Plusieurs théories expliquent le phénomène de portance:

• une théorie parle de la variation de vitesse due aux différences de longueurs de chemins entre l'intrados et l'extrados. Cette différence de longueurs de chemins contraindrait le fluide à accélérer, entraîné par la viscosité et le contact des particules de fluides environnantes. Sans trop plonger dans la théorie, Bernoulli nous a éclairé en donnant la loi de conservation d'énergie au sein du fluide. La somme des énergies de pressions et cinétiques est constante pour un volume de fluide donné. Autrement dit si le fluide accélère, l'énergie mise dans l' accélération sera prise à sa pression (la pression du fluide diminue), Si le fluide ralentit l'énergie enlevée de sa vitesse par le ralentissement sera ajouté a sa pression (la pression du fluide augmente). L' accélération sur l'extrados (chemin le plus long) et le ralentissement sur l'intrados(chemin le plus court) seraient donc les causes de la surpression sur l'intrados et de la dépression sur l'extrados.

Certains expriment que le phénomène n'est pas suffisant pour expliquer la totalité des forces de portance.

• Le phénomène de la variation de quantité de mouvement, génère par le changement de direction du fluide imposé par la rencontre du profil expliquerait le reste des forces de portance. Il semblerait que cette explication soit plus réaliste.

 

En tout cas une chose est certaine c'est qu' une dépression est générée sur l'extrados et un surpression est générée sur l'intrados. (si l'angle d' incidence génère de la portance). Le fait est que la portance est concentrée dans la zone entre le bord d'attaque (juste après) et le point ou le fluide n'est plus obligé de changer de direction. La zone ou le fluide n'est plus obligé de changer de direction, c'est la zone d' épaisseur max si l' incidence est nulle.

 

 

 

Dans la courbe de coefficients de portance sur un profil dans le logiciel Heliciel (ci dessous), La courbe rose indique la répartition de la dépression sur l'extrados. le point 0 de l'axe des x correspond au bord d'attaque et le point 1 correspond au bord de fuite. La courbe bleu represente l'intrados.(l'axe des y est inversé:les valeurs positives sont sous l'axe des x)

Si une incidence est donnée au profil, le point ou l'extrados devient parallèle au fluide, se rapproche du bord d'attaque et réduit la zone ou la portance se concentre. Ainsi la dépression ce concentre et la cavitation apparaîtra plus facilement. Si vous regardez un profil et son extrados, vous savez que le point de portance se situe environ a mi chemin entre le bord d'attaque et la zone parallèle au courant

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Plus la zone d' épaisseur max est reculée plus les particules continuent a accélérer longtemps, répartissant ainsi leur zone de dépression sur une plus grande surface.La même force de portance étalée sur un grande surface génère moins de dépression concentrée. Les profils des pales d'hélices évoluant dans l'eau devront avoir une épaisseur max la plus en arrière possible pour ne pas caviter trop vite.

 

Ci dessous, un profil a forte concentration de portance risquant de caviter facilement :

Ci dessous, un profil a faible concentration de portance mais dont l'arriere risque de générer beaucoup de traînée du fait de son faible effilement! Ce profil ne cavitera peut être pas a cause de la portance mais à cause de sa traînée

Ci dessous, un profil qui répartie au mieux sa portance sans créer une trop forte traînée:

Ces formes sont prise pour exemple et n' ont pas les qualités requises utilisées pour un hélice car elle ne gênèrent pas de portance. Voici une forme plus classique de profil marin

(extrait de la base de données héliciel):

Répartion de portance d'un profil dans Heliciel . Forme classique de profil aérien(extrait de la base de données héliciel):

Cette photo d'un foil au profil dont L'épaisseur max est très reculée répartissant mieux sa portance que le safran(vertical) qui le supporte est un bon exemple de l' importance de choix des profils

La cavitation est un sujet complexe qui n'est abordé que très superficiellement sur cette page . Pour approfondir le sujet je vous invite a consulter la thèse sur la cavitation de Mr Surasak PHOEMSAPTHAWEE qui est à mon humble avis une référence précieuse.