Le monde des foils, qu'il s'agisse de kitesurf, de windfoil, de wingfoil ou de la voile de compétition à haute performance, est constamment en quête de vitesse et d'efficacité. Cependant, cette ambition se heurte à un phénomène hydrodynamique redoutable et souvent mal compris : la cavitation. Ce dernier constitue une barrière significative, comparable, dans sa manifestation et ses défis techniques, au mur du son pour l'aviation. En effet, dans l'eau, la portance du foil sera cent fois plus forte que dans l'air à la même vitesse. Le mur du son, qui est d'environ 330 mètres par seconde dans l'air, correspond à une vitesse d'environ 25 mètres par seconde dans l'eau, soit 50 nœuds. Cette analogie souligne l'ampleur du problème que représente la cavitation pour les engins aquatiques à grande vitesse. Un parallèle audacieux a ainsi été établi entre le mur du son et la cavitation, illustrant la nécessité d'une conception radicalement différente pour les embarcations destinées à dépasser les 50 nœuds dans l'eau, tout comme les avions supersoniques ont des ailes distinctes de celles des avions lents.
Distinguer la Cavitation, la Ventilation et le Décrochage : Des Phénomènes Similaires aux Causes Distinctes
Pour aborder la problématique de la performance des foils, il est crucial de différencier plusieurs phénomènes qui peuvent entraîner une perte de portance et des chutes brutales. Il y a la cavitation, qui se passe à haute vitesse sous l'eau SANS apport d'air. Ce processus hydrodynamique est découvert seulement en 1917 et peut apparaître dès qu'un objet solide se déplace à plus de 15 nœuds dans l'eau, selon les profils utilisés.
Ensuite, il y a la ventilation, qui arrive AVEC un apport d'air, par exemple le long du mât, et qui peut se produire à plus faible vitesse. Le phénomène de ventilation dans l’eau se produit spécifiquement lorsque la dépression exercée par le foil descend en dessous de la pression atmosphérique. Cela entraîne l’air à se diriger vers le bas, créant une sorte de « trou dans l’eau ». Cette aspiration vers le bas, une fois initiée, va s’amplifier et se propager rapidement vers le foil jusqu’à recouvrir entièrement l’extrados, c’est-à-dire la partie supérieure d’une aile de foil. C’est un réel problème, puisque cela risque de supprimer complètement l’effet hydrodynamique et donc la portance. Sur le mât, la ventilation intervient encore plus lorsque l’angle entre le mât et la trajectoire n’est pas aligné, provoquant l'apparition de bulles d’air qui descendent tout son long, ce qui va arrêter de créer de la portance et faire tomber le foil. Si l'on dit souvent que certains foils ventilent et d’autres non, les experts, eux, affirment que tous les foils peuvent ventiler, la différence s’effectuant au niveau de leur fabrication, de la vitesse atteinte et de la manière dont on navigue.
Enfin, il existe le décrochage, qui n'est pas seulement lié à la vitesse. Ce phénomène survient quand il n'y a pas assez de vitesse, ou pas assez d'angle, conduisant à une absence de la portance nécessaire. Par conséquent, le système retombe en mode archimédien, comme un avion qui n'arriverait pas à décoller par manque de vitesse ou d'angle d'attaque suffisant. À faible vitesse, il est parfois difficile de savoir s'il s'agit d'un décrochage classique ou d'une forme de ventilation plus subtile. Cela peut donner l'impression qu'une des pointes du foil est dans une bulle sans que cela provoque l'effondrement total de l'aile ; il s'agit alors juste d'un déséquilibre initial. La vitesse n'est dans tous ces cas que l'élément générateur, car la vraie cause de tous ces phénomènes est la pression/dépression, générée par cette même vitesse.
Les Principes Physiques de la Cavitation : Pression, Dépression et Changement de Phase du Liquide
La cavitation est un phénomène décrit comme l'arrivée et l'oscillation de bulles de gaz ou de vapeur dans un liquide qui est soumis à une dépression. Elle se déclenche lorsque la pression locale au sein du fluide atteint celle de la pression de vapeur saturante du liquide, en présence d'un corps physique en mouvement rapide dans l’eau. Ce phénomène peut être provoqué soit par un réchauffement significatif de l'eau, soit, et c'est le cas le plus courant pour les foils et les hélices, par une baisse drastique de pression de l'eau, localisée dans les zones où une chute de pression est observée.
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Dans des conditions idéales d'eau pure, la liaison moléculaire est tellement forte qu'il faudrait la soumettre à de très hautes valeurs de tensions, ou pressions négatives, pour pouvoir la rompre. Cependant, cette métastabilité du liquide ne reflète pas la plupart des cas pratiques. En effet, l'eau liquide est généralement fragilisée par la présence de micro-inclusions de gaz, la rendant ainsi moins résistante à la rupture de ses liaisons moléculaires. C'est précisément cette fragilité qui explique ce que l'on nomme le phénomène de retard à la cavitation.
La cavitation est fondamentalement un processus de changement de phase, comparable dans son essence à l'ébullition. Lorsqu'un liquide est soumis à une dépression suffisamment intense, il se met à « bouillir » à la température ambiante, se transformant en vapeur. À une certaine limite critique, la tension exercée sur le liquide parvient à rompre de manière effective la liaison moléculaire. À ce point précis, la vitesse du son dans le liquide devient nulle, une condition extrême où l'on dit avoir atteint la limite spinodale du liquide. Lorsque l'eau liquide et l'eau gazeuse, sous forme de bulles, coexistent dans le fluide, la densité globale de celui-ci chute de manière significative, entraînant une perte brutale et soudaine de portance. La portance appliquée sur l'extrados du foil est le résultat direct de la dépression générée par la forme du profil de l'aile. Si cette dépression locale abaisse la pression ambiante au-dessous de la pression de vapeur saturante, alors la pale du foil cavite. Cette cavitation se manifeste par la formation d'une poche de gaz qui vient couvrir le point de dépression maximum, généralement concentré autour du centre de portance du profil. La cavitation de vortex, un type spécifique de cavitation, peut être attachée au profil ou convectée dans le sillage, notamment dans le sillage des profils hydrodynamiques ou des ailes d’envergure finie. Le tourbillon marginal cavitant se caractérise par sa remarquable stabilité, bien qu'il puisse affecter la performance globale.
Impact et Conséquences de la Cavitation et de la Ventilation sur les Performances et la Durabilité des Foils
L'apparition de la cavitation n'est pas sans conséquences, et ses effets peuvent être particulièrement dévastateurs pour les systèmes de propulsion et de portance. La cavitation a, en effet, un effet destructeur prononcé : les pièces solides en mouvement rapide dans l’eau sont gravement dégradées par un effet qui peut sembler incompréhensible de prime abord. Les bulles, qui se créent dans les dépressions parce que l’eau est incompressible, éclatent de manière violente et créent une onde de choc localisée. Cette explosion microscopique, mais répétée, cause une perte significative d’efficacité et peut entraîner des dégâts matériels importants au foil ou à l'hélice. La cavitation est d'ailleurs fréquemment responsable de fortes détériorations ; le phénomène est plus brutal, car la dépression est plus forte, et dès que l'on s'éloigne de la zone de dépression, la vapeur d'eau se retransforme instantanément en eau liquide, ce qui provoque un nouveau choc, entraînant l'usure prématurée des hélices par exemple.
Si la poche de cavitation reste modérément localisée sur la pale sans dépasser le bord de fuite, la portance ne s'effondre pas nécessairement de manière totale, car la dépression au sein de la poche continue d'aspirer l'extrados. Cependant, l'élasticité inhérente au gaz composant cette poche empêche d'augmenter la portance aussi efficacement que si le fluide était entièrement liquide. Toute tentative d'augmentation de portance sera alors transformée en une détente du gaz, s'ensuivant une augmentation du volume de la poche et de sa surface en contact avec l'extrados. Cette augmentation de la surface de dépression peut certes permettre d'augmenter la portance dans une certaine mesure, mais lorsque la surface de la poche atteint le bord de fuite et couvre l'intégralité de la largeur du profil, les performances s'effondrent de manière drastique et immédiate.
Des recherches ont même abouti au constat que lorsque la poche de cavitation reste modérée, elle peut paradoxalement permettre d'augmenter les performances du fait qu'elle diminue le frottement superficiel. Néanmoins, les variations constantes et souvent imprévisibles des conditions de fonctionnement des hélices ou des foils rendent cette plage de fonctionnement optimale très complexe à maîtriser. Dans la pratique, il est généralement préféré de ne pas risquer une perte totale de performances en restant le plus éloigné possible de la zone de cavitation.
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La ventilation, quant à elle, par l'apport d'air qu'elle induit, entraîne une chute brutale de la densité du fluide (qui devient un mélange d'eau et d'air) et, par conséquent, une forte perte de portance. Ce phénomène de ventilation ou de décrochage, en particulier à faible vitesse, peut donner l'impression qu'une des extrémités du foil est soudainement plongée dans une bulle, sans que cela provoque l'effondrement complet du système, mais plutôt un déséquilibre notable. En situation réelle, notamment en wingfoil ou en kitesurf, on reste souvent à l'interface eau-air, ce qui rend difficile de déterminer avec certitude si c'est la cavitation ou la ventilation qui est à l'origine d'une chute ou d'une perte de contrôle, car leurs manifestations peuvent être similaires.
Facteurs Influents et Stratégies de Conception pour Contrer la Cavitation sur les Foils
La complexité du phénomène de cavitation exige une compréhension approfondie des facteurs qui l'influencent et des approches de conception pour le minimiser. La pression de vapeur saturante de l'eau, par exemple, varie avec la température : elle est de 0,006 bars (soit 600 pascals) à 0 degrés Celsius et monte à 0,013 bars (1 300 pascals) à 10 degrés Celsius. De plus, la profondeur d'immersion d'un élément comme une hélice ou un foil joue un rôle crucial ; une immersion plus profonde génère davantage de pression statique, ce qui a pour effet de repousser la limite de cavitation en augmentant la pression ambiante du milieu.
Un levier majeur pour gérer la cavitation réside dans la forme même du profil du foil, car elle permet de contrôler la répartition de la dépression sur l'extrados et, par conséquent, la tendance d'un profil à caviter. La portance appliquée sur la surface de l'extrados d'une pale génère directement la dépression nécessaire à cette portance. Cette dépression est généralement concentrée autour du point de portance. Il est possible d'estimer approximativement que la dépression sera égale à la portance appliquée symétriquement autour de ce point de portance, par exemple à 0,25 de la corde vers l'avant et 0,25 vers l'arrière, ce qui réduit la surface d'action effective à 0,5 fois la surface de l'extrados si le point de portance est à 0,25 fois la corde. La dépression maximale peut alors être calculée comme suit : Dépression = (Portance en Newtons) / (0,5 multiplié par la surface de l'extrados). Si le point d'application de la portance sur le profil est situé à 0,35 du bord d'attaque, le logiciel Heliciel considère que la zone de dépression est concentrée sur 0,7 fois la surface de l'extrados (soit 0,35 multiplié par 2). On peut en déduire qu'un profil générant sa portance le plus proche possible du centre de sa corde, c'est-à-dire à 0,5, répartira mieux sa portance sur toute la surface de son extrados, ce qui aura pour effet de diminuer la dépression maximale localisée. Les profils conçus avec un point de portance reculé sont donc intrinsèquement moins sujets à la cavitation.
Pour identifier un profil à point de portance reculé, une théorie met en avant la variation de vitesse due aux différences de longueurs de chemins parcourus par le fluide entre l'intrados et l'extrados. Cette différence de longueurs de chemins contraint le fluide à accélérer, processus entraîné par la viscosité et le contact entre les particules de fluides environnantes. Pour comprendre la physique sous-jacente, il est utile de se référer au principe de Bernoulli, qui a éclairé 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 investie dans cette accélération sera prélevée sur sa pression, entraînant une diminution de la pression du fluide. Inversement, si le fluide ralentit, l'énergie retirée de sa vitesse par ce ralentissement sera ajoutée à sa pression, augmentant ainsi la pression du fluide. Le phénomène de variation de quantité de mouvement, généré par le changement de direction imposé au fluide par sa rencontre avec le profil, expliquerait le reste des forces de portance. Quoi qu'il en soit, il est certain qu'une dépression est générée sur l'extrados et une surpression sur l'intrados lorsque l'angle d'incidence génère de la portance.
La portance est principalement concentrée dans la zone située entre le bord d'attaque (immédiatement après) et le point où le fluide n'est plus contraint de changer de direction. Cette zone, où le fluide n'est plus forcé à modifier sa trajectoire, correspond à la zone d'épaisseur maximale du profil si l'incidence est nulle. Dans une courbe de coefficients de portance d'un profil, telle que visualisée dans le logiciel Heliciel, la courbe rose illustre la répartition de la dépression sur l'extrados. Le point 0 sur l'axe des x représente le bord d'attaque, et le point 1 le bord de fuite. Si une incidence est appliquée au profil, le point où l'extrados devient parallèle au fluide se rapproche du bord d'attaque, ce qui a pour conséquence de réduire la zone où la portance se concentre. Plus la zone d'épaisseur maximale est reculée sur le profil, plus les particules de fluide continuent à accélérer longtemps, ce qui permet de répartir leur zone de dépression sur une surface plus étendue. Une même force de portance étalée sur une plus grande surface génère ainsi une dépression concentrée moins intense, réduisant le risque de cavitation. Il est à noter qu'un profil avec une faible concentration de portance peut, paradoxalement, voir son arrière générer beaucoup de traînée en raison de son faible effilement. Par ailleurs, un foil avec un profil fin sera généralement moins facile à récupérer qu'un profil plus "gros" ou plus épais. Un foil mince est plus "pointu", offrant des performances supérieures à faible incidence mais sur une plage d'incidence très réduite. La cambrure, définie comme la courbure du profil, est également rapportée à la longueur de la corde, et le nombre de Reynolds, un indicateur des forces d'inertie par rapport aux forces visqueuses, augmente avec la vitesse.
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Stratégies d'Atténuation et Retours d'Expériences Pratiques
Face à la complexité de la cavitation et de la ventilation, diverses stratégies d'atténuation sont explorées, tant au niveau théorique que pratique. Parmi les leviers disponibles pour tenter d'éviter la cavitation, la diminution de la température du liquide est une solution, bien que rarement applicable dans le contexte des sports nautiques. Il a été envisagé d'injecter de l'air à certains endroits spécifiques du profil du foil pour permettre à la dépression de se créer sans les inconvénients habituels, c’est-à-dire sans une chute de la portance, mais en perdant juste l'érosion de la matière ; cependant, cette approche ne fonctionne pas de manière efficace pour les foils. Des barrières physiques perpendiculaires au profil, souvent appelées "fences", peuvent également être utilisées afin de dévier le déplacement de la cavité. Toutefois, il n'est pas certain que les "fences" représentent une solution facile à industrialiser pour une production en série, limitant leur application généralisée.
Le problème actuel, qui préoccupe tous les concepteurs de foils cherchant la vitesse, est précisément de trouver une solution à la cavitation. Ce phénomène peut se produire en bout d'aile, sur l'aile elle-même, derrière le profil, et bien sûr sur les appendices plongeants comme les mâts, avec l'aggravation que représente la ventilation. La traînée de forme de profil est également génératrice de dépression, localisée sur l'arrière du profil. Il est donc essentiel, lors de la conception, d'évaluer si la cavitation reste concentrée autour du point de portance ou si elle s'applique sur toute la surface du profil, ce qui serait plus dévastateur. L'affichage du risque de cavitation, en considérant la traînée, la portance répartie et la portance concentrée, est un outil précieux pour chaque élément du foil, du pied à l'extrémité de la pale.
Des retours d'expériences pratiques illustrent l'importance de ces phénomènes. Adrien Q. a partagé ses difficultés lors de sessions dans la houle et les vagues en presqu'île de Crozon : son foil décrochait systématiquement dans la vague, entraînant de nombreuses chutes. Il s'interrogeait sur la taille de son foil (AFS Carver 1700 / Stab 440), potentiellement trop imposant pour ces conditions. Un autre pratiquant a souligné connaître « TRES bien ce genre de chute » et avoir « beaucoup planché sur le sujet ». Il a également mentionné l'importance du type de foil : « Avec mes Curve, je n'ai jamais réussi à rattraper une ventilation, avec mes actuels Fluid, c'est plus facile. »
Le problème des mâts et des foils est également prégnant. Un utilisateur a fait remarquer qu'« en ce moment exclusivement en mât Gong V2 » il n'avait « pas l'impression d'être trop concerné par des ventilations », suggérant que « soit j'ai des appuis différents, soit avec l'habitude je compense inconsciemment d'une façon ou d'une autre. » Il est clair que prendre appui sur le mât aggrave fortement le risque de ventilation, notamment lors de remontées au vent ("quand on cape"). Le rapport entre la taille du mât et la taille de l'aile pourrait également jouer un rôle dans l'apparition de ces phénomènes. Une pression excessive « en latéral » au travers ou au près est une conséquence directe qui peut induire ces décrochages et ventilations.
Bien que la cavitation soit un sujet dont on parle peu ou pas en Windfoil, où les vitesses sont pourtant importantes, elle semble plus sensible en Wing. Le constat en un an et demi est simple : en wing, la performance recherchée avoisine les 25-30 nœuds maximum pour le moment. Le problème, que Bruno Sroka, Damien Chaboud d’Alpine, ou encore Martin Turbil d’Allure (qui a passé dix ans à développer chez Taaroa) appellent de la « ventilation », est lié au mât et plus spécifiquement à de mauvais designs de mât/profil, ou à une mauvaise réalisation en production du design de départ. L'aspiration est simple : il s’agit d'avoir des foils qui fonctionnent correctement dès leur sortie d'usine, sans se voir confronté à des problèmes majeurs de ventilation ou de cavitation. Il est reconnu que l'on peut concevoir des foils rigides qui ne ventilent pas dans l'usage de wingfoil performant. Des tests sont d'ailleurs prévus avec des mâts Cedrus sur du Axis, fabriqués par Kyle, pour voir s'ils ventilent moins que d'autres.
Un joli vortex en bout d'aile, où le bout de l'aile est venu frôler la surface de l'eau, déformant celle-ci et permettant à une bulle d'air de s'engouffrer dans la dépression créée, n'est pas de la cavitation mais une autre manifestation des interactions air-eau. La maniabilité et une aisance déconcertante sont des qualités recherchées dans le développement des foils, même si elles sont parfois mises à mal par ces phénomènes physiques.