Cavitation d'hélice et d'hydrofoil : causes, effets et détection

La cavitation d'hélice est une mise en ébullition locale de l'eau : elle apparaît quand la pression sur la pale tombe sous la pression de vapeur saturante. Des bulles de vapeur se forment alors sur l'extrados, dégradent la poussée et finissent par abîmer la pale. Cette page explique les causes de la cavitation des hélices et des hydrofoils, les moyens de l'éviter, et la façon dont Heliciel en détecte le risque pendant la conception.

Au sommaire :

• Qu'est-ce que la cavitation d'une hélice ?
• Comment éviter la cavitation d'une hélice
• Détecter le risque de cavitation dans Heliciel
• Causes de la cavitation : portance et traînée
• Choix du profil pour limiter la cavitation
• Portance et dépression : d'où vient la baisse de pression ?

1 : Qu'est-ce que la cavitation d'une hélice ?

Hélices VEEM dans un tunnel d'essai de cavitation : une cavitation en nappe stable se forme du côté basse pression de la pale.

La cavitation est principalement une mise en ébullition de l'eau. Elle apparaît quand la pression ambiante devient inférieure à la pression de vapeur saturante. Un réchauffement de l'eau peut la provoquer, tout comme une baisse de pression. Sur les hélices et les hydrofoils, c'est surtout la baisse locale de pression qui en est la cause, dans les zones où la pale ou l'aile accélère l'eau.

Deux grandeurs fixent la limite de cavitation :

• La température de l'eau. La pression de vapeur saturante de l'eau vaut environ 600 Pa (0,006 bar) à 0 °C et environ 1 230 Pa (0,012 bar) à 10 °C. Le pascal est un newton appliqué sur 1 m². Nous cavitons donc plus facilement dans une eau chaude que dans une eau froide.
• La profondeur d'immersion. Elle ajoute à la pression de l'eau une pression statique, d'environ 9,8 kPa par mètre d'eau douce, et repousse ainsi la limite de cavitation. Une hélice immergée en profondeur cavite donc moins vite qu'une hélice proche de la surface.

Voici la pression à la surface d'une pale d'hydrolienne, telle que la montre le logiciel Heliciel :

Carte de pression sur la pale (onglet Prototype 3D) : l'échelle de couleurs, en pascals, situe chaque zone par rapport au seuil de cavitation.

2 : Comment éviter la cavitation d'une hélice

Plusieurs leviers permettent d'éloigner la pale de la cavitation.

Augmenter la surface sur laquelle s'applique la portance :

• en augmentant le diamètre de l'hélice ;
• en augmentant la largeur de corde des pales ;
• en répartissant la portance sur un maximum de surface, grâce à la forme du profil, qui détermine la position du point d'application de la portance ;
• en augmentant le nombre de pales d'une hélice de propulsion.

Diminuer la portance :

• en diminuant les angles d'incidence des profils ;
• en diminuant la vitesse de rotation de l'hélice.

Jouer sur le milieu :

• en augmentant la profondeur d'immersion, qui se saisit dans l'onglet Optimiser, pour augmenter la pression statique ;
• en diminuant la température du liquide : pour la modifier la température du fluide ambiant, et donc sa limite de cavitation, cliquez sur modifier fluide dans l'onglet « données projet / fluide » et sélectionnez la température.

3 : Détecter le risque de cavitation dans Heliciel

Voyons de plus près comment la cavitation apparaît et comment la détecter pendant la conception d'une hélice. Heliciel détaille la distribution de pression élément de pale par élément de pale.

Onglet Pressions des résultats détaillés : une barre par élément et par type de dépression, en échelle logarithmique, et la ligne de limite de cavitation. L'infobulle indique ici une dépression maximale concentrée de 106 418 Pa pour l'élément 4, avec formation possible d'une poche de cavitation.

Heliciel distingue trois types de dépressions sur la pale d'hélice, pour mieux évaluer le risque de perte de performances :

1. la dépression concentrée, quand la portance s'applique symétriquement autour du point de portance ;
2. la dépression répartie sur la surface, quand la portance s'applique sur toute la surface ;
3. la dépression de traînée, appliquée sur une surface égale à la surface frontale.

Les courbes d'évolution de ces trois risques en fonction de la vitesse de rotation se tracent dans l'onglet Optimiser, avec l'analyse de plusieurs points de fonctionnement :

Dépression maximale en pascals selon le régime, avec la limite de cavitation (ligne rouge, 105 417 Pa pour une immersion de 0,3 m en eau de mer à 20 °C). Sur cette hélice d'exemple, la dépression concentrée dépasse la limite dès 2 100 tr/min et la dépression répartie vers 2 600 tr/min ; la dépression de traînée reste en dessous.

4 : Causes de la cavitation sur la pale : portance et traînée

Deux sources principales de baisse de pression, susceptibles de créer de la cavitation, existent sur notre pale :

1. La portance appliquée sur l'extrados résulte de la dépression que crée la forme du profil. Si cette dépression abaisse la pression ambiante sous la pression de vapeur saturante, la pale cavite. La cavitation forme alors une poche de gaz qui couvre le point de dépression maximale, concentré autour du centre de portance du profil.

   

   Une cavitation à poche partielle : la poche couvre une partie de l'extrados de la pale.

   Tant que la poche reste sur la pale sans dépasser le bord de fuite, la portance ne s'effondre pas forcément, car la dépression de la poche continue d'aspirer l'extrados. Mais l'élasticité du gaz empêche d'augmenter la portance aussi efficacement que dans le liquide : toute augmentation de portance se transforme en détente du gaz. La poche grossit alors, et sa surface en contact avec l'extrados augmente. Cette surface de dépression supplémentaire permet d'augmenter encore la portance, jusqu'à ce que la poche atteigne le bord de fuite et couvre toute la largeur du profil : les performances s'effondrent. Certaines recherches rapportent même qu'une poche modérée peut améliorer les performances, parce qu'elle diminue le frottement ; nous n'avons pas vérifié cette affirmation ici. Les conditions de fonctionnement d'une hélice varient sans cesse, et cette plage est très difficile à maîtriser : nous préférons ne pas risquer une perte totale de performances, en restant le plus loin possible de la zone de cavitation.
2. La traînée de forme du profil génère elle aussi une dépression, localisée sur l'arrière du profil. Si cette dépression de traînée s'applique sur une surface équivalente à la surface frontale (cas des profils supercavitants) et abaisse la pression ambiante sous la pression de vapeur saturante, la pale peut caviter.

Il est donc essentiel d'évaluer si la cavitation reste concentrée autour du point de portance ou si elle s'étend à toute la surface du profil.

5 : Choix du profil et cavitation : répartir la dépression sur l'extrados

Comment la forme du profil gère-t-elle la répartition de la dépression sur l'extrados, et donc la tendance du profil à caviter ? La portance appliquée sur la surface de l'extrados de la pale donne la dépression due à la portance. Cette portance n'est toutefois pas appliquée uniformément : son point d'application sur les profils se situe en général vers 0,25 fois la corde du profil à partir du bord d'attaque. Heliciel lit ce point dans la base de données de profils.

Extrait de la base de profils d'Heliciel : le NACA 1408 a son centre de portance à 31,4 % de la corde.

La dépression est concentrée autour du point de portance. Nous pouvons l'estimer grossièrement en supposant la portance appliquée symétriquement autour de ce point, soit 0,25 devant et 0,25 derrière pour un point à 0,25 de corde. La surface d'action vaut alors 0,5 fois la surface de l'extrados, et :

dépression maximale = portance (N) / (0,5 × surface d'extrados)

Si le point d'application de la portance se situe à 0,35 de corde, Heliciel considère que la zone de dépression couvre 0,35 × 2 = 0,7 fois la surface de l'extrados. Un profil dont la portance s'exerce le plus près possible du milieu de la corde (0,5) répartit sa portance sur toute la surface de l'extrados et diminue la dépression maximale. Les profils à point de portance reculé sont donc moins sujets à la cavitation.

Comment reconnaître un profil à point de portance reculé ? L'incidence joue un rôle sur la position de ce point, mais laissons-la de côté pour ne regarder que la forme du profil. La courbe ci-dessous donne le coefficient de pression sur un profil dans Heliciel. La courbe rose indique la répartition de la dépression sur l'extrados, et la courbe bleue représente l'intrados. Le point 0 de l'axe des x correspond au bord d'attaque et le point 1 au bord de fuite. L'axe des y est inversé : les valeurs positives sont sous l'axe des x.

Répartition de la dépression sur l'extrados (rose) et de la surpression sur l'intrados (bleu) d'un profil, pour une incidence de 3° et un nombre de Reynolds de 735 000 : le pic de dépression se situe tout près du bord d'attaque.

Si nous donnons une incidence au profil, le point où l'extrados devient parallèle au fluide se rapproche du bord d'attaque. La zone où la portance se concentre rétrécit, la dépression se concentre, et la cavitation apparaît plus facilement. Pour estimer le point de portance sur un profil, il suffit de le placer à peu près à mi-chemin entre le bord d'attaque et la zone où l'extrados devient parallèle au courant.

Cavitation sur l'extrados d'un profil en essai : la nappe de bulles couvre la zone de dépression.

Plus la zone d'épaisseur maximale est reculée, plus les particules continuent d'accélérer longtemps, et plus elles répartissent leur dépression sur une grande surface. La même force de portance étalée sur une grande surface génère moins de dépression concentrée. Les profils de pales d'hélices qui évoluent dans l'eau ont donc intérêt à avoir leur épaisseur maximale le plus en arrière possible, pour ne pas caviter trop vite.

Trois profils théoriques illustrent ces cas. Le premier a une forte concentration de portance à l'avant : il risque de caviter facilement.

Le deuxième a une faible concentration de portance, mais son arrière, peu effilé, risque de générer beaucoup de traînée. Ce profil cavitera peut-être, non à cause de la portance, mais à cause de sa traînée.

Le troisième répartit au mieux sa portance sans créer une traînée trop forte.

Ces formes sont données pour l'exemple : elles ne génèrent pas de portance et n'ont pas les qualités requises pour une hélice. Voici une forme plus classique de profil marin, extraite de la base de profils d'Heliciel :

Un profil marin classique, avec sa courbe de pression dans Heliciel.

Cette photo d'un foil dont l'épaisseur maximale est très reculée illustre l'importance du choix des profils : il répartit mieux sa portance que le safran vertical qui le supporte, et c'est sur le safran que la cavitation apparaît.

Le foil, au profil bien réparti, ne cavite pas ; le safran vertical qui le supporte, si.

6 : Portance et dépression : d'où vient la baisse de pression sur l'extrados ?

Plusieurs explications se complètent. Bernoulli nous éclaire avec la loi de conservation de l'énergie dans le fluide : la somme des énergies de pression et cinétique est constante pour un volume de fluide donné. Si le fluide accélère, l'énergie dépensée dans l'accélération est prélevée sur sa pression, qui diminue ; s'il ralentit, sa pression augmente. L'accélération sur l'extrados et le ralentissement sur l'intrados expliquent donc une partie de la dépression sur l'extrados et de la surpression sur l'intrados.

Une explication souvent entendue attribue cette accélération à la différence de longueur de chemin entre l'extrados et l'intrados, que les particules devraient parcourir dans le même temps. Cette explication est inexacte : rien n'oblige deux particules voisines à se retrouver au bord de fuite au même instant. Elle ne suffit pas non plus à expliquer la totalité de la portance.

Le reste de la portance vient de la variation de quantité de mouvement, générée par le changement de direction que le profil impose au fluide. Cette seconde explication est la plus réaliste.

Une chose est sûre : une dépression se forme sur l'extrados et une surpression sur l'intrados, quand l'incidence génère de la portance. La portance est concentrée dans la zone comprise entre le bord d'attaque (juste après) et le point où le fluide n'est plus obligé de changer de direction. À incidence nulle, cette zone est celle d'épaisseur maximale.

La cavitation est un sujet complexe, que cette page n'aborde que superficiellement. Pour approfondir, nous vous invitons à consulter la thèse sur la cavitation de Surasak Phoemsapthawee, qui est à mon humble avis une référence précieuse.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment la forme du profil fixe le point de portance, comment le fluide ambiant modifie la limite de cavitation, ou comment la théorie des éléments de pale calcule les pressions.

La pression minimale sur la pale se lit directement sur une carte de pression : le cas concret hélice bateau CFD montre comment évaluer le risque de cavitation d'une hélice marine par simulation.