Plan porteur (mecanique des fluides)


Plan porteur (mecanique des fluides)

Plan porteur (mécanique des fluides)

En mécanique des fluides, un plan porteur est une surface portante qui se déplace dans un fluide.

Sommaire

Application aux navires

En hydrodynamique, un plan porteur est une surface portante qui se déplace à la surface ou dans l'eau. Cette surface peut être profilée (aile) ou non.

La vitesse de déplacement génère 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 coque (frottement et vagues) et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse de croisière.

Principaux types de plans porteurs hydrodynamiques

Plan porteurs de surface

Patins, skis, coques planantes. Ces plans porteurs ne sont pas profilés, seule la surface inférieure participe à la portance.

Plans porteurs immergés ou foils

Appellation complète : "plan porteur profilé et immergé" ou "aile portante immergée". Pour nommer les surfaces portantes d'un hydroptère, le Larousse n'utilise pas l'expression "plan porteur" mais "aile portante".
Appellation française utilisée en pratique (d'origine anglaise) : Foil, qui est une simplification du mot hydrofoil.

Les foils sont classés en plusieurs familles :

  • foils à échelle : plusieurs plans superposés.
  • foils en V dont une partie traverse la surface, montés sur les hydroptères de première génération, italiens et russes (navire à grande vitesse), voilier L’Hydroptère.
  • foils immergés, le plus souvent en T inversé (Boeing Jetfoil, transport de passagers) ; Trifoiler & Windrider Rave, hydroptères de loisirs).

Foils en échelle

Système le plus ancien, peu utilisé. La surface varie avec la vitesse, mais complexité de construction, forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs.

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 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. 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).

Foils complètement immergés

Dans le cas des foils, 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 une centrale).

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 d’incidence de l’ensemble (foil + « jambe »),
- modification de l’incidence 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 placé 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 force humaine, dits "à propulsion musculaire" (« human powered »)

Engins mu par la force humaine.

  • 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 avants et un foil principal arrière.
  • 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[1].

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 (moments fléchissants), il est souhaitable de limiter l'allongement et d'épaissir les profils.

Fonctionnement hydrodynamique

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 relative 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 relative. Les deux surfaces, supérieure et inférieure, participent à la portance mais c’est le dessus de l’aile qui développe entre les 2/3 et les 3/4 de la portance.

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 coté), la cambrure est nulle.
si le profil est asymétrique (portance privilégiée dans un sens), la cambrure 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)
  • Coefficients hydrodynamiques :
Cz ou coefficient de portance, dépend du poids, de la surface et de la vitesse. Valeur fréquente : 0,3 à 0,6 à la vitesse de croisière.
la portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 ϱ V² et ϱ = masse volumique du fluide.
Cx ou coefficient de traînée de profil. La traînée du foil dépend du profil et de son état de surface, mais également de la traînée induite par la portance (influence de l'allongement, de la forme en plan, des interactions) et par la proximité de la surface (influence de l'immersion).
Effet de l'état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée (effet de la laminarité sur le coefficient de frottement).

Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :

la cambrure : fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, c'est le critère le plus important.
l'épaisseur : conditionne la résistance en flexion de l'aile 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 dits "cavitants ou super cavitants" (profils spéciaux à faible dépression relative à l'extrados) pour les grandes vitesses.

Angle d’incidence

L'angle d'incidence d'un foil (surface portante 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 une surface symétrique verticale, 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

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 support ou du foil lui même (foil 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 parade est l’utilisation de barrières (en anglais fences) qui empêchent l’air de descendre le long du foil.

Cavitation

Article détaillé : cavitation.

Sous l'effet du champ de vitesses la pression atteint localement une valeur égale ou inférieure à la pression de vapeur saturante, ce qui déclenche l'apparition de bulles d'air entraînant une chute de portance. L'implosion de ces bulles d'air entraîne une érosion mécanique ou chimique, des vibrations et bruits.

Voir aussi

Liens internes

Liens externes

"Trottinette" sur foil http://www.foilflex.ch

Références

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