Foil
En mécanique des fluides, un foil est une aile profilée qui se déplace dans l'eau et transmet une force de portance à son support.
Appellation
Cette appellation est une simplification du mot hydrofoil ; le mot anglais foil ayant sans doute la même origine que l'ancien mot français fueil (feuille). Pour nommer les surfaces portantes d'un hydroptère, le Larousse n'utilise pas l'expression « plan porteur » mais « aile portante ». Le mot foil est passé dans le langage courant du nautisme (voilier à foils, catamaran à foils, Moth à foil).
La vitesse de déplacement génère sur le ou les foils une portance hydrodynamique capable de soulever la ou les coques du bateau partiellement ou totalement hors de l'eau. Le but de ce transfert de portance est de réduire la traînée de la coque (frottement et vagues) et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse de croisière.
Types de foils
Les foils sont classés en deux familles principales :
- foils à surface variable, traversant la surface :
- - foils à échelle : plusieurs plans superposés. Système le plus ancien qui n'est plus utilisé à cause de la complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs.
- - foils en oblique ou en V, montés sur les hydroptères de première génération, suisses, italiens et russes (navire à grande vitesse), voilier L’Hydroptère.
- foils à surface fixe immergés, le plus souvent en T inversé (Boeing Jetfoil, transport de passagers) ; Trifoiler & Windrider Rave, Moth à foil, hydroptères de loisirs). Il existe d'autres formes, en Y inversé, en U, en L, en courbe (dits en cuillère).
Foils traversants
Dans le cas des foils traversant la surface, plus le bateau va vite, plus il monte et moins la surface immergée est importante. La vitesse compense la perte de surface portante, la portance restant constante.
Pour une vitesse donnée, le bateau s’élève jusqu'à ce que la portance soit égale au poids. La portance est dite autorégulée puisque (théoriquement) le bateau ne risque pas de monter au point de sortir un foil de l'eau. Ces foils ont généralement un angle de calage fixe mais ils peuvent aussi être réglables (calage variable).
L'immersion du foil étant réglée sur le niveau de la surface, le bateau suit le profil des vagues (inconfort par mer agitée).
Foils complètement immergés
Dans le cas des foils complètement immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée.
L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler le bateau de l’effet des vagues. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la coque ne contribuent généralement pas à la portance. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n'est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D'autre part la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol. Sans système de régulation, rien ne stabilise la profondeur d'immersion : le foil peut arriver à l'interface air/eau. Pour ces deux raisons le navire doit être équipé d'un système de stabilisation active piloté par des capteurs d'altitude (comme sur le Moth à foil) ou par une centrale (capteurs d'altitude, accéleromètres).
Pour faire varier les portances longitudinales et transversales en fonction de la vitesse, du rayon de virage demandé et du poids du bateau, les foils doivent être équipés d'un système de variation de portance agissant sur le calage ou la cambrure du profil ou sur l'écoulement local.
On trouve dans cette famille le plus souvent des foils en T inversé, mais aussi en U ou en L.
Stabilisation active, asservissement des foils
La régulation de la portance peut se faire par :
- modification de l’angle de calage[1] de l’ensemble (foil + « jambe »),
- modification du calage du foil seul,
- modification de la cambrure du profil (braquage d’un volet au bord de fuite).
- diminution de la portance par ventilation de l'extrados (l'eau est remplacée par de l'air).
Engins à moteurs
Le système est piloté par des capteurs (gyroscopes, accéléromètres et capteurs de hauteur de vol) ; des vérins contrôlent la portance des foils.
Voiliers
Le système est souvent piloté mécaniquement par des palpeurs placés en avant du bateau ou par un capteur d'altitude (le plus souvent un flotteur qui plane à la surface de l’eau), cf. « Moth à foil » ou « Moth Foiler ».
Engins à propulsion musculaire
Engins mus par la force humaine (human powered).
- Le Decavitator est un engin de record de type catamaran propulsé par une hélice aérienne. La sustentation est assurée en dynamique par deux petits foils avant et un foil principal arrière. Un foil supplémentaire (rétractable) est immergé aux basses vitesses.
- Le FoilFlex est un engin de plage qui présente un double foil à l'avant et un grand foil à l'arrière. Le mouvement de haut en bas donné par l'utilisateur, imprime un mouvement ondulatoire sur le foil arrière grâce à un ressort en fibre de verre placé entre la fourche avant et la plateforme arrière. Le « surfeur » se tient debout sur la plateforme arrière
Configuration générale
Dans les configurations listées ci-dessous, il est fait mention de « petite ou grande surface portante », ces surfaces peuvent être d’un seul tenant ou séparées donc formées par plusieurs foils. Le fait de disposer plusieurs surfaces portantes séparées permet d’obtenir les bras de levier et les moments nécessaires à la stabilité longitudinale (en tangage) et latérale (en roulis).
- Disposition canard
- Petite surface à l’avant et grande surface portante à l’arrière
- Disposition classique ou « avion »
- Grande surface portante sur l’avant et surface arrière faisant office d’empennage
- Disposition en tandem
- surfaces identiques ou voisines à l’avant et l’arrière
Conception des surfaces portantes
Forme en plan
Une surface portante est caractérisée par :
- -la forme du plan : le plus souvent rectangulaire ou trapézoïdale,
- -l'envergure de l'aile et la corde moyenne du profil, la surface étant le produit des deux,
- -l'allongement, qui est l'envergure divisée par la corde moyenne.
Le choix de la forme en plan est lié à la distribution de portance en envergure souhaitée :
- - pour des raisons hydrodynamiques, un fort allongement permet de réduire la traînée induite par la portance,
- - pour des raisons structurelles (poutre en flexion, moment fléchissant), il est souhaitable de limiter l'allongement et d'épaissir les profils.
Fonctionnement hydrodynamique
- Selon l'effet Coanda et la loi de Newton. Du fait de la viscosité du milieu, la masse d'air en mouvement qui rencontre un profil cambré suit la surface de ce profil ; la masse d'air est déviée, c'est l'Effet Coanda[2]. En réaction à la quantité de mouvement de la masse d'air déviée dans un sens (vers le bas pour un profil porteur), l'aile est tirée dans l'autre sens (vers la haut), en vertu de la troisième loi de Newton[3]
- Selon le théorème de Bernoulli. Pour une incidence positive (bord d'attaque au-dessus du bord de fuite), la dissymétrie du profil crée des vitesses plus élevées sur l'extrados et plus faibles sur l'intrados. Selon le théorème de Bernoulli cela se traduit par des pressions plus fortes sur l'intrados que sur l'extrados donc une portance dirigée vers le haut. Cette explication s'applique mal à la portance des profils minces et des plaques planes sans épaisseur.
Profil
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d'une aile portante.
Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques (coefficients de portance, traînée, moment en tangage).
Les profils les plus connus (NACA) sont classés géométriquement par familles (distribution d'épaisseur, cambrure, épaisseur).
- La géométrie d'un profil est définie par les éléments suivants :
- - la cambrure (rapport flèche de la ligne moyenne/corde) :
- si le profil est symétrique (portance de chaque côté), la cambrure est nulle.
- si le profil est asymétrique (portance privilégiée dans un sens), la cambrure est le plus souvent de l'ordre de 2 à 5 %. On peut faire varier la cambrure avec un volet mobile au bord de fuite.
- un profil asymétrique est dit « plan-convexe » si l'intrados est plat.
- - l'épaisseur relative (par rapport à la corde), critère important pour la tenue en flexion de l'aile,
- - la distribution de l’épaisseur (rayon du bord d’attaque, emplacement de l'épaisseur maximale).
- Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
- - la cambrure : elle est fonction du coefficient de portance (Cz) demandé ; c'est le critère le plus important.
- - l'épaisseur : elle conditionne la résistance en flexion de l'aile et la déformation sous charge (en fonction de la portée).
- - la vitesse : distribution de l'épaisseur et des pressions dynamiques pour éviter la cavitation. Il existe des profils dits « cavitants ou super cavitants » (profils spéciaux à faible dépression relative à l'extrados) pour les grandes vitesses.
Coefficients hydrodynamiques
- Le Cz ou coefficient de portance, dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Valeur fréquente : 0,4 à 0,7 à la vitesse de croisière.
- la portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide.
- Le Cx ou coefficient de traînée du foil, dépend de :
- - du profil et de son état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée de frottement (effet de la laminarité),
- - de la traînée induite par la portance (influence de l'allongement, de la forme en plan, des interactions),
- - de la proximité de la surface (influence de l'immersion sur le champ de vagues).
Angle d’incidence
L'angle d'incidence d'un foil (surface portante ou gouverne) est l'angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite) et l'écoulement (le vecteur vitesse local).
- L'angle d'incidence d’un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, est égal à zéro lorsque le gouvernail est dans l'axe du bateau, sous réserve que le bateau ne dérive pas (n'avance pas en crabe).
La portance augmente avec l'incidence (pente de portance). À partir d’un certain angle, dont la valeur varie beaucoup en fonction du profil et de l'allongement de la surface portante, il y a décollement de l'écoulement, décrochage des filets d’eau et perte de la portance.
Angle de portance nulle
Pour un profil symétrique comme un gouvernail, l’angle de portance nulle est égal à zéro : il suffit de mettre le gouvernail dans l’axe des filets d'eau pour annuler la portance latérale.
Pour un profil asymétrique, pour obtenir une portance nulle, il faut mettre le plan en incidence négative ; c’est cet angle qui est appelé angle de portance nulle. Un ordre de grandeur de cet angle est donné par la valeur de la cambrure (rapport flèche/corde) du profil : un profil cambré à 4 % a une angle de portance nulle d'environ -4°.
Limitation physique de la portance des foils
La portance des profils immergés est limitée par la ventilation et la cavitation.
Ventilation
La ventilation est un phénomène liée à la proximité du plan porteur avec la surface.
La forte dépression à l'extrados des foils peut créer une aspiration de l'air qui va descendre le long d'un montant (jambe de foil) ou du foil lui-même (foil en V traversant la surface). Dans ce cas le profil n'avance plus dans l'eau mais dans un mélange d'air et d'eau, et la portance chute brutalement (différence de densité du milieu).
Une parade est l’utilisation de cloisons ou barrières (en anglais fences) qui empêchent l’air de descendre le long du foil.
Cavitation
Sous l'effet du champ de vitesses lié à la portance, la pression à l'extrados diminue et atteint localement une valeur égale ou inférieure à la pression de vapeur saturante, ce qui déclenche l'apparition de bulles de vapeur d'eau entraînant une chute de portance. L'implosion de ces bulles entraîne une érosion mécanique ou chimique, des vibrations et bruits ce qui détériore les foils.
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
- « Trottinette » sur foil http://www.foilflex.ch
Notes et références
- la portance dépend de l'incidence qui est la somme du calage et de l'assiette de l'engin.
- David Anderson, Fermi National Accelerator Laboratory, and Scott Eberhardt, formerly of the Department of Aeronautics and Astronautics, University of Washington, now at the Boeing Company [1] ou [2].
- (en) Newton's Third Law of Motion - NASA.
