Simulations instationnaires en régime cavitant

Hydrofoil immobile et oscillation du nombre de cavitation

Dans cette première étude numérique instationnaire sur un hydrofoil, la distribution de pression en régime subcavitant reste inchangée. Seul le nombre de cavitation varie. Ce cas d’étude est en effet un cas simplifié d’hélice travaillant dans un champ de pression hydrostatique (présenté à la Section 6.3). Le nombre de cavitation σV est forcé à varier entre 0.6823 et 1.1695 par une fonction sinusoïdale ; σV = 0.9259 + 0.2436 sin (ωt). La fréquence d’oscillation donnée correspond au nombre de Strouhal Sr de 0.25. L’hydrofoil a une section NACA0010 et une forme rectangulaire avec un allongement Λ de 3. L’angle d’incidence α est de 5 degrés. Le modèle numérique de l’hydrofoil a 80 facettes autour de sa section et 10 facettes le long de l’envergure. Le pas de temps ∆t est constant et égal à 1/16e de période. Les résultats de cette simulation sont présentés sur les Figures 6.1 et 6.2. Les résultats en régime instationnaire sont comparés aux deux autres résultats en régime stationnaire : avec le nombre de cavitation constant σV = 0.6823 et en régime subcavitant. Il faut noter que, dans les deux cas en régimes cavitant stationnaire et cavitant instationnaire, le module de cavitation est activé après convergence du calcul subcavitant. Comme on pouvait s’y attendre, les coefficients de portance et de traînée varient en fonction du nombre de cavitation. Comme déjà remarqué dans la validation du chapitre précédent, la cavitation à poche partielle a plus d’effet sur les coefficients de traînée que sur les coefficients de portance. Dans ce cas-ci, le coefficient de portance augmente seulement de 6% environ tandis que le coefficient de traînée augmente de 50% environ.

Hydrofoil animé d’un mouvement oscillant

Ici, on étudie le cas où la distribution de pression en régime subcavitant varie tandis que le nombre de cavitation reste constant. Ce cas peut être considéré comme un cas simplifié d’une hélice travaillant dans un champ d’écoulement uniforme incliné présenté dans la Section 6.4. Un hydrofoil se déplace verticalement dans un écoulement uniforme, comme défini à la Figure 6.3(a). Le mouvement de pilonnement crée la variation de l’angle d’incidence et aussi la variation de la grandeur de vitesse d’incidence. La vitesse latérale sinusoïdale est donnée de telle manière que l’angle d’incidence varie entre -5 degrés et 5 degrés comme présenté à la Figure 6.3(b). Le profil de l’hydrofoil est également un NACA0010. Le modèle numérique a 80 facettes autour de la section et 10 facettes le long de l’envergure comme dans le cas précédent. Cependant, l’allongement Λ est dans ce cas-ci de 6 au lieu de 3 afin de réduire l’effet d’écoulement tridimensionnel pour mieux capturer l’effet de cavitation. Le nombre de cavitation est constant et égal à 0.65. Le nombre de Strouhal Sr est également 0.25 comme dans le cas précédent. La Figure 6.4 montre les coefficients de portance et de traînée de l’hydrofoil en fonction de l’angle d’incidence. En régime quasi-statique, c’est-à-dire lorsque la fréquence d’oscillation est très basse et que l’inertie du fluide est négligée, le coefficient de portance varie linéairement avec l’angle d’incidence. En régime de pilonnement, le coefficient de portance en régime subcavitant présente une courbe elliptique due à l’inertie du fluide. Pour le coefficient de traînée, on obtient une courbe parabolique classique en régime quasi-statique. En mouvement de pilonnement, l’inertie du fluide transforme la courbe parabolique en une courbe en forme de papillon. La cavitation à poche partielle n’a pas beaucoup d’effet sur l’évolution du coefficient de portance avec l’incidence. Par contre, l’effet de la cavitation à poche partielle est remarquable sur la courbe du coefficient de traînée. Les résultats en régime cavitant présentés démontrent également que le modèle de cavitation peut être utilisé pour des simulations en régime instationnaire.

Hélice travaillant dans un champ de pression hydrostatique

Avant d’étudier l’effet de la cavitation à poche sur la performance de l’hélice en régime instationnaire, il est légitime d’étudier d’abord son effet en régime stationnaire. Une hélice marine cavitante est simulée pour plusieurs nombres de cavitation. Il faut noter que les nombres de cavitation utilisés ici pour des simulations de l’hélice en régime soit stationnaire soit instationnaire sont définis par rapport à la vitesse d’avance Va de l’hélice, σV = (P∞ − PV )/( 1 2 ρV 2 a ) (6.1) L’effet de la cavitation à poche partielle sur le coefficient de poussée KT , sur le coefficient de couple KQ et sur le rendement η de l’hélice en régime stationnaire est présenté à la Figure 6.5. Comme dans les cas de l’hydrofoil, avec la présence de la cavitation à poche partielle, les coefficients de poussée et de couple augmentent lorsque le nombre de cavitation diminue. Dans ce cas particulier, la poussée et le couple augmentent seulement de quelques pourcents même lorsque la longueur de la poche de cavitation atteint 3/4 de la longueur de corde dans certaines sections en tête des pales d’hélice comme illustré à la Figure 6.6. De plus, le rendement η de l’hélice ne diminue quasiment pas. Ces petits effets sont attendus puisque les efforts hydrodynamiques sur les hélices ont pour origine la portance de chaque section et la charge n’est pas concentrée dans la zone en tête des pales