Hélice bateau CFD : ce que la simulation montre que le calcul classique ne montre pas

Vous avez dessiné une hélice de bateau dans Heliciel, et vous voulez la passer en CFD. Le concepteur vous a donné une poussée, un couple, un rendement. Ce cas concret montre ce que le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, la simulation numérique de l'écoulement) ajoute à ces chiffres : une image de l'eau autour de l'hélice, la pression sur chaque pale, le jet qu'elle produit, et une réponse à la question qui inquiète tout constructeur de bateau : va-t-elle caviter ?

L'hélice marine de l'exemple, telle que le banc CFD la montre après calcul : pression sur les pales (rouge = l'eau appuie, bleu = l'eau aspire) et lignes de courant colorées par la vitesse. Le fluide entre lentement à droite, ressort accéléré à gauche.

• Au sommaire :

1. La machine et le point de fonctionnement
2. La CFD de l'hélice de bateau : trois clics, douze minutes
3. Poussée de l'hélice bateau en CFD, comparée au calcul classique
4. Où l'eau appuie : la carte de pression
5. Le jet et le sillage
6. La question du marin : la cavitation
7. Ce qui vibre : la pulsation des pales
8. À retenir

1 : La machine et le point de fonctionnement

C'est l'hélice marine livrée en exemple avec Heliciel, à son point de fonctionnement de conception. Un régime de pêcheur : lent, très chargé, dans l'eau de mer.

Avant la CFD, le concepteur Heliciel a déjà sa réponse par la méthode des éléments de pale (BEM), celle qui calcule la pale tranche par tranche : 1 156 N de poussée et 253 N·m de couple. Ce sont les deux nombres que la CFD va mettre à l'épreuve.

2 : La CFD de l'hélice de bateau : trois clics, douze minutes

Rien à régler dans le fluide, rien à écrire. Depuis le concepteur, le menu PRO CFD injecte l'hélice dans le banc de test. Trois gestes suivent :

1. Choisir un préréglage de maillage. Une liste de niveaux, du plus rapide au plus fin. Ici Level 5, un bon compromis : 85 000 cellules, maillage en 5 min 20 sur un PC de bureau à 6 cœurs.
2. Mailler. Le bouton Maillage. On attend.
3. Calculer. Le bouton Run Solver. Le banc enchaîne lui-même les deux phases du calcul : une première, rapide, où l'hélice est figée et la rotation simulée (1 min 58), puis une seconde où l'hélice tourne réellement dans l'eau (4 min 18). Il s'arrête seul quand les forces sont stables.

Total : un peu plus de douze minutes, café compris. Les résultats s'affichent dans l'onglet Résultats, à côté de la vue 3D.

La fenêtre du banc CFD après calcul : la vue 3D à gauche, les cases à cocher des affichages et le panneau de résultats à droite. Tout ce que montre cette page vient de là.

3 : Poussée de l'hélice bateau en CFD, comparée au calcul classique

Le panneau de résultats donne les forces sur les pales, et les compare aux valeurs du concepteur :

Le panneau de résultats après la première phase : 818,6 N de poussée sur les pales, 192,9 N·m de couple, 2,12 kW à l'arbre, rendement propulsif 0,608. La référence du concepteur (BEM) est rappelée juste au-dessus : 1 156 N et 253 N·m.

Deux enseignements, à lire comme un technicien et non comme un numéricien :

• Les deux phases de la CFD racontent la même histoire. Hélice figée ou hélice qui tourne, on retrouve 810-820 N. Le résultat est stable : ce n'est pas un accident de calcul.
• La CFD trouve moins que le concepteur. Environ 30 % de moins. Sur une hélice à sept pales larges qui se recouvrent, la méthode des éléments de pale, qui traite chaque tranche de pale comme isolée, est optimiste : les pales se gênent mutuellement, et c'est exactement ce que la CFD voit et que le BEM ne peut pas voir. Le message pour le bureau d'études : garder une marge sur la poussée annoncée, ou tester une variante à moins de pales.

Le rendement, lui, résiste bien : 0,608 en CFD contre 0,654 au concepteur. Poussée et couple manquent ensemble, leur rapport bouge peu.

4 : Où l'eau appuie : la carte de pression

C'est l'image que le calcul classique ne peut pas donner. Cochez Pression surface, décochez Modèle 3D pour que la forme grise ne recouvre pas les couleurs : la pale colorée est le résultat.

Vue depuis l'arrière du bateau, côté où l'hélice pousse l'eau. Les bords de fuite et les bouts de pale sont en rouge : c'est là que l'eau appuie le plus fort. Le centre des pales reste vert, proche de la pression ambiante.

Vue depuis l'avant, côté coque. Le dos des pales est bleu : l'eau y est aspirée. Le nez du moyeu, lui, est rouge : c'est le point d'arrêt, là où l'eau vient buter de face. Sur une hélice, c'est ce côté-là qui produit l'essentiel de la poussée, et c'est là que la cavitation menace.

La légende de droite donne l'échelle en pascals absolus : de 107 876 Pa (bleu) à 111 245 Pa (rouge), autour d'une pression de référence de 110 085 Pa à un mètre sous la surface. Gardez ces deux nombres : ils servent à la question de la cavitation, plus bas.

5 : Le jet et le sillage

Les coupes colorent l'eau elle-même, dans un plan que vous choisissez. La coupe verticale, vue de côté, montre le jet :

Coupe verticale de la vitesse axiale. L'eau arrive de la droite à 1,6 m/s (jaune). Derrière l'hélice, à gauche, le jet est accéléré à plus de 2 m/s (orange-rouge). Au centre, dans l'ombre du moyeu, une traînée bleue d'eau ralentie : le sillage du moyeu.

La même vitesse, dans un plan perpendiculaire à l'arbre, juste derrière l'hélice. La couronne rouge est le jet des pales ; le disque bleu au centre est l'eau ralentie derrière le moyeu. C'est la section du tube de courant qu'une hélice fabrique.

Les iso-surfaces enveloppent les zones où la pression franchit une valeur donnée : ici deux niveaux de dépression, en nappes jaunes autour des pales. Elles montrent l'étendue dans l'eau de ce que la carte de pression montrait sur la peau.

6 : La question du marin : la cavitation

L'eau se vaporise quand sa pression descend sous la pression de vapeur, 1 300 Pa à 10 °C. Des bulles se forment sur le dos des pales, implosent, rongent le métal et font chuter la poussée. La CFD ne simule pas les bulles, mais elle donne la seule chose dont on a besoin pour répondre : la pression la plus basse sur les pales.

Ce n'est pas une surprise pour une hélice à 6,5 m/s en bout de pale. Mais la méthode vaut pour toutes les hélices, et sur une vedette rapide elle devient serrée. Trois réflexes : lire le bas de l'échelle de pression, pas la moyenne ; vérifier sur la vue de face que le bleu le plus sombre est bien en bout de pale, là où l'eau va le plus vite ; et se souvenir que l'immersion déplace toute l'échelle : la même hélice à 30 cm sous la surface perd 7 000 Pa de marge. L'immersion se règle dans le concepteur avant de créer le cas CFD.

7 : Ce qui vibre : la pulsation des pales

La seconde phase du calcul fait tourner l'hélice pour de vrai. Elle apporte une information que l'hélice figée ne peut pas donner : la fluctuation de la poussée à chaque passage de pale.

Le banc calcule aussi un indicateur de bruit à partir de ces fluctuations. Ici, la raie à 12,25 Hz reste 12 dB sous le bruit large bande : une hélice lente et régulière. La valeur absolue n'est pas un niveau sonore certifié, mais le même indicateur relevé sur deux variantes d'hélice les classe l'une par rapport à l'autre. C'est cette pulsation à 12 Hz qui fatigue une ligne d'arbre et qu'on entend dans une coque.

8 : À retenir

• Douze minutes de calcul sur un PC de bureau, sans régler un seul paramètre numérique : un préréglage, deux boutons.
• La CFD trouve 30 % de poussée en moins que le calcul classique sur cette hélice à 7 pales larges : c'est l'interaction entre pales, que seule la CFD voit. Marge à prévoir, ou variante à tester.
• La carte de pression répond à la cavitation en une lecture d'échelle : 107 876 Pa au plus bas, très loin des 1 300 Pa de la vapeur.
• Ce que le calcul ne contient pas : la coque devant l'hélice (l'eau arrive ici uniforme, alors qu'une hélice réelle travaille dans le sillage de l'étambot), la surface libre et les vagues. Les fluctuations réelles seront plus fortes que celles calculées ici en eau libre.

Les cas concrets CFD

« Précédent : Comprendre un résultat CFD en cinq images  |  Suivant : Hélice avion CFD : croisière et point fixe »

1. Comprendre un résultat CFD en cinq images
2. Hélice bateau CFD : poussée et pression sur les pales (vous êtes ici)
3. Hélice avion CFD : croisière et point fixe
4. Hélice drone CFD : vol stationnaire
5. Éolienne CFD : puissance et sillage
6. Hydrolienne CFD : un rotor de 16 m dans le courant
7. Ventilateur CFD : gaine et radiateur
8. Ventilateur caréné CFD : extraction
9. Aile CFD et hydrofoil : portance et traînée

Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.