Plan porteur (mécanique des fluides)
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Un plan porteur ou hydrofoil ou foil est une aile qui se déplace dans l'eau.
La vitesse de déplacement génère une portance hydrodynamique capable de soulever la ou les coques du bateau hors de l'eau.
Le but de ce transfert de portance est de réduire la traînée de coque (frottement et vagues) et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse de croisière.
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[modifier] Fonctionnement général
- Article détaillé : théorème de Bernoulli.
Le chemin parcouru par une molécule d’eau qui rencontre la face bombée d’une aile (extrados), est plus long que celui parcouru par sa voisine qui se déplace à l’écart de cet obstacle. De ce fait, la molécule doit « accélérer » pour dépasser l’obstacle et arriver au même niveau que les autres molécules. Cette différence de vitesse crée une dépression qui tire l’aile vers le haut. Inversement, une particule qui rencontre la surface inférieure (l’intrados) sera elle ralentie et donc en « sous-vitesse », ce qui créé une surpression. Les deux surfaces, supérieure et inférieure, participent à la portance mais c’est le dessus de l’aile qui développe les 3/4 de la portance.
[modifier] Principaux types de plans porteurs ou "foils"
Les foils sont classés en deux grandes familles :
- Les foils en V traversants la surface, montés sur les hydroptères de première génération, italiens et russes (Navire à grande vitesse), voilier l’Hydroptère.
- Les foils immergés, le plus souvent en T inversé (Boeing Jetfoil, pour le transport de passagers ; Trifoiler & Windrider Rave, hydroptères de loisirs).
[modifier] Foils en V (traversants)
Dans le cas des foils en V, plus le bateau va vite, plus il monte et moins la surface immergée est importante. La vitesse compense la perte de surface, la portance reste 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 plan porteur de l'eau. Les foils ont un angle de calage fixe mais ils peuvent aussi être vrillés sur la longueur, le calage pouvant être moins important à la base du plan porteur.
L'immersion du foil étant réglée sur le niveau de la surface, le bateau suit le profil des vagues (inconfort par mer agitée).
[modifier] Foils immergés
Dans le cas des foils immergés, toute 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 « jambes » qui relient les foils à la coque ne contribuent généralement pas à la portance. Ce type de foil présente un rendement (portace/traînée) plus élevé mais n'est pas naturellement stable.
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. La configuration n'étant autostable ni en tangage ni en roulis, le navire doit être équipé d'un système de stabilisation active.
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 des foils en U, en L, en T inversé, etc.
[modifier] Stabilisation active, asservissement des foils immergés
[modifier] Engins à moteurs
- Système piloté par capteurs (gyroscopes, accéléromètres et capteurs de hauteur de vol) et équipé de vérins pilotant les foils.
[modifier] Voiliers
- Système piloté mécaniquement par des palpeurs placé en avant du bateau ou par un capteur d'altitude (le plus souvent un flotteur qui plane à la surface de l’eau).
[modifier] Régulation de la portance
Elle peut se faire par :
- - modification de l’angle d’incidence de l’ensemble (foil et « jambe »),
- - modification de l’incidence du foil seul,
- - modification de la cambrure du foil (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).
[modifier] Architectures
[modifier] Généralités
[modifier] Angle d'incidence
L'angle d'incidence d'un plan porteur (foil ou gouvernail) 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 un plan porteur symétrique vertical, 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). A partir d’un certain angle, environ une douzaine de degrés, il y a décollement de l'écoulement, décrochage des filets d’eau et perte de la portance.
[modifier] 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 du bateau 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°.
[modifier] Disposition
Dans les configurations listées ci-dessous, il est fait mention de « petite ou grande surface portante », ces surfaces peuvent être d’un seul tenant, (grande aile), ou séparées donc formées par plusieurs plans porteurs. Le fait de créer plusieurs surfaces portantes permet d’écarter les plans porteurs et d'améliorer la stabilité latérale.
- 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 plan porteur à l’arrière faisant office d’empennage
- Disposition en tandem
- Plus rare, avec surfaces identiques à l’avant et l’arrière
[modifier] Conception
[modifier] Forme en plans des surfaces portantes
La forme en plan est définie par plusieurs éléments :
- envergure et corde moyenne, la surface étant le produit des deux,
- allongement : envergure divisée par corde pour un plan porteur rectangulaire,
- forme du plan : rectangulaire ou traézoidale,
- flèche : inclinaison du lieu des quarts des cordes par rapport à l’axe transversal, le plus souvent vers l'arrière.
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,
- pour des raisons structurelles (moments fléchissants), il faut limiter l'allongement.
[modifier] Profil d’un plan porteur
Le profil est la forme en coupe du plan porteur.
Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques.
Les types de profils les plus connus sont les NACA, Eppler.
- La géométrie d'un profil est définie par les éléments suivants :
- cambrure (rapport flèche/corde) :
- symétrique (portance de chaque coté). La cambrure est nulle.
- asymétrique (portance dans un seul sens), cambrure de l'ordre de 2 à 5 %, variable en présence de flap (volet mobile de bord de fuite).
- profil dit "plan-convexe" si l'intrados est plat
- épaisseur relative (par rapport à la corde), importante pour la tenue en flexion de l'aile
- distribution de l’épaisseur (rayon du bord d’attaque, emplacement de l'ép. maximale)
- état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée (coefficient de frottement et laminarité).
- Coefficients hydrodynamiques :
- Cz ou coefficient de portance, dépend du poids, de la surface et de la vitesse F = 1/2 rau Cz S V²
- Cx ou coefficient de traînée de profil, dépend du profil et de l'état de surface. La traînée totale du plan porteur dépend du profil choisi mais dépend également de la traînée induite par la portance (influence de l'allongement) et par la proximité de la surface (influence de l'immersion).
Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
- la cambrure : fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, c'est le plus important.
- l'épaisseur : conditionne la résistance du plan porteur et la déformation sous charge (en fonction de la portée).
- la distribution de l'épaisseur et des pressions dynamiques, pour éviter la cavitation. Il existe des profils super cavitants (profils spéciaux à faible dépression à l'extrados) pour les grandes vitesses.
[modifier] Phénomènes physiques nuisibles à la portance des plans porteurs
[modifier] Ventilation
La ventilation est un phénomène liée à la proximité du plan porteur avec la surface. La forte dépression sur les plans porteurs peut créer une aspiration de l'air qui va descendre le long d'un support ou du plan porteur lui même (plan porteur en V traversant la surface). Dans ce cas le profil n'avance plus dans l'eau mais dans l'air, et la portance chute brutalement (différence de densité du milieu). . Une des parades est l’utilisation de barrières qui empêchent l’air de descendre le long du plan porteur. Il existe pour le moment peu de données expérimentales et la modélisation de la ventilation est quasi-impossible actuellement.
[modifier] Cavitation
- Article détaillé : cavitation.
Le liquide sous pression, atteint localement une pression égale ou inférieure à la pression de vapeur saturante. La cavitation occasionne des chutes de la portance, une érosion mécanique ou chimique, des vibrations et bruits.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Liens internes
[modifier] Liens externes
[modifier] Références
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