Cavitation & Supercavitation : From a bluff to a stable streamlined projectile

Cavitation & supercavitation : obtenir un projectile profilé stable

• Auteur / Autrice : Thibault Guillet
• Direction : Christophe Clanet, David Quéré, Caroline Cohen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Detlef Lohse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Clanet, David Quéré, Caroline Cohen, Olivier Cadot, Irmgard Bischofberger, Jung Sunghwang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cadot, Irmgard Bischofberger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cavitation

Matière molle (physique)

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Cavitation

Supercavitation

Dynamique de bulles

Cavité ventilée

Réduction de trainée

Instabilité

Cavitation

Supercavitation

Bubble dynamics

Ventilated cavity

Drag reduction

Instability

Résumé

La supercavitation utilise le changement de phase du liquide-vapeur au mouvement rapide d'un projectile pour le profiler et ainsi réduire sa traînée. Dans cette thèse, nous abordons la supercavitation sous différents aspects : la cavitation induite par accélération en environnement confiné, la réduction de traînée engendrée par la cavité d'air et la stabilité des trajectoires des objets ainsi profilés. Plus précisément, nous nous intéressons dans un premier temps, à la fois expérimentalement et théoriquement, à la croissance des bulles de cavitation. Après avoir montré que cette croissance n'est possible que dans une enceinte déformable, nous prouvons, dans le cas particulier où la dépression à l'origine de l'apparition de ces bulles est transitoire, que leur dynamique suit l'équation de Rayleigh-Plesset et que leur rayon maximal peut être prédit analytiquement. Si la vitesse du projectile est assez grande, les bulles de cavitation grossissent et coalescent pour former une unique bulle, accrochée à la surface du projectile et située dans son sillage: c'est le régime dit de supercavitation. Nous montrons que ce régime peut être reproduit dans un canal hydraulique "classique", à faible vitesse, en injectant de l'air à la surface du projectile. Avec ce dispositif expérimental, nous démontrons que la taille relative de la bulle est uniquement déterminée par un paramètre adimensionnel. Dans le cas d'une sphère, nous mesurons la modification de trainée ainsi engendrée. Enfin, le système global {sphère + bulle} peut être considéré comme un projectile profilé de densité inhomogène. Nous montons que de tels projectiles profilés, suivent des trajectoires courbes après leur impact dans l'eau. Nous démontrons, à la fois expérimentalement et théoriquement, que la forme de leur trajectoire est déterminée par leur vitesse d'impact, leur forme et la position de leur centre de gravité.

Supercavitation uses the phase transition liquid-gaseous, triggered by the fast motion of a projectile, to streamline its shape and reduce its drag. In this thesis, we address several aspects of supercavitation: cavitation triggered by acceleration in a confined geometry, drag reduction induced by the air cavity and the stability of the trajectory of such streamlined projectiles. More precisely, we first study both experimentally and theoretically the growth of cavitation bubbles. After showing that their growth is uniquely possible in a deformable container, we prove, in the case of a transient pressure drop, that the dynamic of the bubbles follows the Rayleigh-Plesset equation and that their maximum radius can analytically be predicted. If the velocity of the projectile is high enough, the bubbles grow and coalesce to form a large bubble pinned at the surface of the projectile and located in its wake: this is the so-called supercavitation regime. We show that this regime can be mimicked in "regular", low velocity, hydrodynamic tunnel via air injection at the surface of the projectile. In this set-up, we demonstrate that the relative size of the bubble is governed by an unique dimensionless parameter. In the case of a sphere, we measure the drag modification induced by the presence of the bubble. Finally, the overall system {sphere + bubble} is analogous to a inhomogeneous streamlined projectile. We show that such streamlined projectiles can follows curved paths, following their impact on water. We demonstrate, both experimentally and theoretically, that the morphology of their trajectory is governed by the impact velocity, their shape and the position of the center of mass of the projectile.