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Etude de deux phénomènes : La ventilation et la cavitation

Phénomène de ventilation sur un foil en V

Nous exposons ici les deux principaux problèmes que les hydrofoilers rencontrent pendant la navigation:

I. La ventilation

Ce phénomène se produit à n'importe quelle vitesse vitesse et s'accentue avec l'augmentation de la vitesse. Nous avons déjà vu que la pression de l'eau n'est pas identique sur les deux côtés du foil: sur l'extrados, il y a une dépression tandis que sous l'intrados, il y a une surpression. La partie du foil qui travaille juste sous la surface de l'eau est sujette à la ventilation. Comme sur l'extrados l'eau est en dépression, elle aspire du coup de l'air le long du foil. Comme de l'air se mélange à l'eau à ce moment, alors la densité de l'eau diminue. Et si la densité diminue, alors l'efficacité de la portance diminue aussi. Dans le langage marin, on appelle cela un "trou d'eau".

Ce phénomène n'existe pas pour les foils en T. C'est d'ailleurs une des raisons principales de leur invention.

Pour tenter de pallier à ce problème, les ingénieurs ont trouvé une solution: poser des fences, c'est-à-dire des plaques horizontales dans le sens de l'écoulement de l'eau sur les parties verticales des foils. Elles permettent de bloquer la ventilation, empêchant l'air de circuler vers le bas.

Sur cette illustration, nous visualisons l'effet "barrière" des fences posées sur la face supérieure d'un foil en V pour lutter contre l'aspiration de l'air vers le bas.

Photographie d'un vrai foil en V équipé de fences.

II. La cavitation

Pour comprendre ce phénomène, il faut d'abord rappeler les transformations physiques que peut subir l'eau. Ce liquide change d'état ( liquide, solide, gaz) en fonction de deux paramètres: la température et la pression atmosphérique. La cavitation est le fait d'avoir des bulles de gaz (certaines molécules d'eau passent de l'état liquide à l'état gazeux) dans le milieu liquide, sans que la température ne change. Donc, c'est la pression qui change. Effectivement, nous savons que la pression change brusquement sur les deux faces d'un foil lors de la navigation. De ce fait, certaines molécules d'eau se vaporisent et deviennent des molécules de gaz. Le liquide n'est alors plus homogène.

Voici une expérience illustrant la cavitation: au moment de remplir une seringue, si l'aspiration du liquide est trop rapide, alors des bulles de gaz se forment au milieu du liquide qui se trouve dans le tube la seringue. Ceci est la cavitation.

Pour mieux saisir l'enjeu de la pression atmosphérique sur l'état de l'eau, rappelons un exemple connu: nous avons tous appris que l'eau, au niveau de la mer, bout à 100°C. Tandis que l'eau, placée en haut d'une montagne, là où la pression atmosphérique est plus basse, bout à une température inférieure à 100°C. Donc la pression atmosphérique influence les modifications d'état de l'eau.

Quant au facteur température, il est encore plus facile à expliquer: l'eau en dessous de 0°C est solide, puisque c'est de la glace. En passant au dessus de 0°, l'eau se liquéfie et vers 100° (selon la pression justement), elle se vaporise en gaz.

Quelles sont les conséquences de la cavitation sur les foils? Tout d'abord, une diminution de l'efficacité de ces profils puisque l'eau qui les entoure n'est plus homogène. Des bulles de gaz apparaissent et décollent le filet d'eau qui contourne le foil en créant une multitude de trous d'air. Donc il y a une diminution de l'effet de la portance. Ensuite, les bulles de gaz implosent et détériorent les matériaux, ce qui n'est pas souhaitable.

Détérioration par cavitation d'une partie d'un profil

III. Synthèse

En analysant le problème de la ventilation et celui de la cavitation, nous constatons qu'elles ont toutes les deux une influence néfaste qui diminue la portance du foil. Ceci est regrettable puisque l'objectif recherché des foils est justement d'exploiter au maximum cette force pour limiter le plus possible la traînée lors d'un déplacement. En plus, la navigation devient instable, il est difficile de garder le cap.

Ce graphique montre les 3 états physiques possible de l'eau, en fonction de la pression atmosphérique et de la température. Des termes précis désignent les changements d'état. Il n'y a qu'un point où les 3 états peuvent coexister: c'est au point triple.