I – Introduction
Alors que nous discutions de l’hydrofoil testé par Eric Tabarly en 1976, une amie me demanda : « s’il fallait expliquer comment est générée la portance, est ce que tu pourrais le faire ? ». Oui bien sur ! Ensuite, à bien y réfléchir, je n’en étais plus très sûr… Je dois l’avouer, au début de ma passion pour les voiliers volants (au siècle dernier), j’ai cru à l’explication basée sur le théorème de Bernoulli ! Puis j’ai compris qu’il y avait un « hic ». Mais je n’ai pas vraiment cherché plus loin !
Voici le sommaire de cet article qui, du fait de sa longueur, sera diffusé en 3 parties :
Partie 1/3
I – Introduction
Sommaire
Un monde ailé
Théories et théoriciens….
Air & eau ?
II – Théorie basée sur l’effet ricochet
III – L’explication populaire
IV – Théorie basée sur l’effet Venturi
Partie 2/3
V – Théorie basée sur l’effet Coanda
VI – Théorie de la circulation ou de Kutta & Jukowski
VII – Théorie de l’écope ou de Newton
Partie 3/3
VIII – La théorie de Hoffman & Johnson
IX – Kutta Jukowski VS Johnson & Hoffman
X – Théories non développées
XI – Pour essayer d’y voir plus clair !
XII – Portance « sur l’eau »
XIII – Conclusions
Remerciements
Un monde ailé !
« Mais je n’ai pas vraiment cherché plus loin » ! Pourtant, que trouve t’on le plus sur un voilier ? Des ailes ! Qu’ils soient volants, ou non, les voiliers sont équipés au minimum d’une aile. Certains n’en ont qu’une comme les fabuleux Patins Catalan, d’autres beaucoup plus… Les moteurs de nos voiliers, planches, kites… sont des aérofoils. Sous la surface nos engins sont aussi ailés : quilles, dérives, safrans, foils…
Cette question de l’explication de la portance ne concerne pas que les amateurs de voiliers. En regardant un avion passer dans le ciel, en attachant notre ceinture à bord d’un coucou ou d’un gros porteur, nous sommes nombreux à nous demander « comment ou pourquoi ça vole » ? Il est étrange qu’alors que chaque jour environ 80 000 vols commerciaux parcours le ciel, nous nous posions cette question ! Etrange aussi que le site de la Nasa ne donne pas une explication claire et préfère expliquer en quoi certaines théories sont erronées.
Toujours dans le monde mécanique, nous voyons de plus en plus d’éoliennes « fleurir » dans ce cas, ce n’est pas l’aile qui se déplace, même si c’est vrai qu’elles pivotent autour de leur axe, mais le vent qui se déplace (tout est relatif !).
En parlant d’ailes qui pivotent autour d’un axe, l’érable, l’orme, le frêne… produisent des fruits à hélice ou Samares qui profitent du vent pour disséminer leurs graines. Et oui, les oiseaux ne sont pas les seuls à avoir inspirés les pionniers de l’aviation. Ignaz Etrich, pionniers des vols planés, prit modèle sur la graine des Zanonie (Alsomitra macrocarpa) pour réaliser un de ses « glisseurs ». Les frères Horten aussi. Cette graine des îles du Pacifique possède une voilure en forme de boomerang de quinze centimètres de long. Par jour de grand vent, ce dispositif lui permet de passer d’île en île, sur des distances de dizaines de kilomètres !
Quittons le monde végétal pour le monde animal. La Vélelle (Velella velella), longtemps prise pour une méduse, est en réalité une colonie de Polypes surmontée d’une aile transparente qui voyage sur les mers chaudes. La Physalia physalis, qui elle est une vraie méduse, navigue aussi à l’aide de son aile, mais gonflable !
Bref, nous sommes entourés d’ailes aériennes ou sous marines qui peuvent avoir une multitude de nom suivant leurs fonctions : dans l’air, aile, aérofoil, plan porteur, voile, cerf volant, pale, déflecteur…. Dans l’eau dérive, déflecteur, nageoire, foil, safran… et nous ne savons pas vraiment comment elles fonctionnent ! Bien entendu, nous n’avons pas besoin d’assimiler le fonctionnement des lois de la nature pour les utiliser. Les oiseaux n’étudient pas la théorie de la portance avant de s’élancer du nid (enfin, je ne le pense pas, si un oiseau lit Foilers… ). Pourtant, je ne sais pas pour vous, mais moi, cela me titille !
Théories et théoriciens….
De nombreux chercheurs ont essayé de comprendre et de mettre sous forme d’équations la portance et la traînée. Car s’intéresser à la portance, c’est aussi découvrir comment il est possible d’obtenir un rapport portance / traînée qui soit le plus grand possible. Difficile de citer tous ceux qui ont travailler sur la question. Voici une petite galerie de portraits de chercheurs qui par leur travail, ont permis d’avancer dans la compréhension de la portance. Même si son nom n’est pas évoqué par la suite, j’ai incorporé une photo de Sir George Cayley. Ses travaux ont fortement participés à la compréhension de la portance. Cet ingénieur anglais, que certains considèrent comme le premier vrai chercheur scientifique en aéronautique, est le concepteur du premier planeur. Il a découvert et identifié les quatre forces aérodynamiques du vol : poids, portance, traînée et poussée. La conception des avions modernes est basée sur ses découvertes, y compris les ailes cambrées !
L’explication de la portance est complexe et se prête difficilement à la simplification. Elle fait appel aux lois de Newton, aux équations de Bernoulli, celles de Navier-Stokes et d’Euler, aux travaux de Kutta-Jukowski… ! Rares sont ceux (dont je fais partie) qui maîtrisent ces notions. Malgré ces difficultés, je vais essayer de présenter de manière simple, les différentes théories avancées pour expliquer le fonctionnement des ailes aériennes et sous-marines. Donc, au risque de faire des erreurs et de heurter les plus au fait de la science… Je vous l’accorde, je m’attaque à un « gros morceau » !
Parmi ces théories, certaines sont inexactes mais elles ont leurs défenseurs. En effet, le débat sur l’origine de la portance n’est pas clos… Le fait que certaines théories erronées restent vivaces est assez logique. Le phénomène n’est pas simple, alors lorsque vous avez découvert une explication qui semble fonctionner – et que vous la comprenez – il vous est difficile d’admettre qu’elle est incorrecte ou incomplète. Incomplète, car bien souvent ces théories se basent sur un ou plusieurs phénomènes bien réels.
Air & eau ?
Mais peut-on partir à la découverte de l’explication de la portance sans distinguer ce qui se passe dans les airs et sous l’eau ? « Ben non m’sieur, l’eau est au moins 850 fois plus dense que l’air, pfffff ». Pour le calcul du nombre de Reynolds, cette différence est compensée par le fait que les corps sous-marins sont plus petits. Prenons par exemple ce qui se passe autour d’un engin de vitesse comme Sailrocket 1 (ou 2). Le foil de Sailrocket 1 a grosso modo une corde de 25 cm, son aile aérienne, a une corde de 2 m dans sa partie la plus large (le bateau mesure 12.20 m). En terme de nombre de Reynolds, qu’obtenons-nous ?
Rappel
Re=(v*d*µ)/n
v : vitesse, d : distance caractéristique, µ : masse volumique du fluide, n : viscosité dynamique
Foil
- Vitesse : 47,4 nœuds (déc. 2008), soit 24.38 m/s
- Largeur estimée foil : 0.25 m
- Densité eau de mer en kg/m3 : 1025 (salinité de 35 g/kg, T° 20°C, 1 atm)
- Viscosité dynamique eau de mer : 1,07 x 10-3 kg/m.s (20 °C, 1 atm). Je sais à Walvis Bay, l’air et l’eau ne sont pas à 20°C !!!
- Nombre de Reynolds : 5 840 000
Aérofoil
- Vitesse : 50 nœuds, soit 25.72 m/s. La vitesse du vent apparent sur la voile de Sailrocket est une estimation. Lors de leur grand vol plané, le vent était de 23 nœuds et le vent apparent d’environ 50 nœuds…
- Largeur estimée aile rigide : 2 m
- Densité air en kg/m3 : 1.197 (70% HR)
- Viscosité dynamique air : 1,8 x 10-5 kg/m.s (20 °C, 1 atm)
- Nombre de Reynolds : 3 420 000
Ou la la, c’est pas pareil (à une vache près) ! Non, mais « comparable » ! On sera de toute façon sur une bonne partie du profil en régime turbulent. Nous pouvons donc, en terme de portance, comparer ce qui se passe sous et au dessus de l’eau dans une assez grande plage de caractéristiques. NB : la compressibilité du fluide ne joue presque pas de rôle dans la portance La compression de l’air n’occasionne que des erreurs inférieures à 0.5% pour une vitesse inférieure à 150 km/h (merci Dr Goulu !).
II – Théorie basée sur l’effet ricochet
La portance à pendant longtemps été expliquée comme étant semblable au phénomène qui permet à un joli caillou plat, manipulé par une main experte, de faire un pied de nez à Archimède ! Cette théorie du ricochet est basée sur l’idée que la portance serait due à l’énergie développée par les molécules qui « frappent » le dessous du plan porteur. Elle fait référence à la troisième loi de Newton : lorsqu’un solide A exerce une force sur un solide B, le solide B exerce sur le solide A, la force directement opposée. Même si dans le cas de la « pierre surfeuse » l’explication fait appel à bien d’autres lois de la physique…
Oui mais
Cette explication ne prend en compte que l’interaction du fluide avec la surface inférieure de l’aile. Elle suppose que toute la portance est générée par l’intrados, ce qui est totalement erroné. Il a été démontré qu’environ 75% de la portance est liée à l’extrados (pourcentage bien entendu fonction de nombreux éléments comme la forme du profil).
Remarques
- Cette théorie correspond à ce qui se passe en surf ou en ski nautique !
- Dans des cas très particuliers, comme certains régimes de vol où la vitesse est très élevée et la densité de l’air très basse, une faible quantité de fluide est en contact avec l’extrados. Dans ce cas, une partie de la portance est bien fonction de la capacité du plan porteur à « ricocher » ! Ces conditions sont celles de la navette spatiale pendant une partie de la phase d’entrée dans l’atmosphère (conditions hypersoniques). Sans oublier (merci Xavier) d’autres engins qui utilisent la même capacité à « ricocher », le XB-70 Valkyrie et le X-43 A, dont Gurval (et non Xavier comme noté jusqu’au 11/12 dans cette article !) à déjà parlé dans son excellent article, La ventilation : Un peu d’air dans ce monde de fluide !
Exemple de site développant cette explication
III – L’explication populaire
Cette théorie basée sur le théorème de Bernoulli peut aussi être appelée « théorie du temps de transit équivalent ». Cette explication est celle qui est la plus souvent avancée par ce qu’elle est simple à comprendre. Cette thèse s’appuie sur le fait que, dans la majorité des cas, la partie supérieure des ailes a une corde de longueur supérieure à celle de la partie inférieure. Imaginons deux molécules qui seraient séparées par le bord d’attaque d’une l’aile. La molécule qui passe au dessus de l’aile, va parcourir plus de distance que son « ex-voisine » qui passe en dessous du profil. En se basant sur le fait que la nature a horreur du vide (même ce point est décrié, et à juste titre !), il nous est expliqué que ces deux molécules devraient se retrouver en même temps derrière le profil. Pour ce faire, celle qui a été dirigée vers la voie supérieure (pas la mère ou la mer supérieure… !), devrait voir sa vitesse augmenter pour être à l’heure au rendez-vous. Le théorème de Bernoulli dit qu’à altitude égale la pression d’un fluide diminue quand sa vitesse augmente et inversement. La survitesse sur l’extrados entraînerait donc une dépression (aspiration). De plus, la molécule qui elle se déplace sur l’intrados voit sa vitesse ralentir (puisque le plan porteur représente un obstacle), ce qui engendre une surpression.
Oui mais
La loi décrite par Daniel Bernoulli, qui traduit le principe de la conservation de l’énergie dans les fluides, intervient bien dans le phénomène qui nous intéresse. Mais cette explication, bien trop souvent citée, est trop simple pour être complète ! Un avion disposant d’ailes planes peut voler, de même que les avions munis d’ailes au profil symétrique (donc avec une même corde sur l’intrados et l’extrados).
On sait que le gréement d’un voilier est une aile qui génère de la portance. Pourtant, à quelques centimètres près (liés à la présence du mat), l’intrados et l’extrados d’une voile sont de même longueur !
Enfin, des essais en tunnel ont montré qu’en réalité le courant de l’extrados arrive avant celui de l’intrados !
Remarques
- Petite anecdote que j’ai trouvé sur un site qui présente une biographie de Daniel Bernoulli : alors que Daniel Bernoulli voyageait avec un homme cultivé qui ne savait pas qui il était, celui-ci lui demanda son nom : « Je suis Daniel Bernoulli ». L’homme, croyant à une plaisanterie, répondit : « Et moi je suis Isaac Newton ». Cette histoire, disait Daniel Bernoulli, m’a fait plus plaisir que tous les honneurs !
- Je comptais mettre comme élément allant à l’encontre de cette théorie, le fait que si cette explication était exacte, comment pourrions nous expliquer le fait qu’un avion de voltige ne tombe pas lorsqu’il vole à l’envers (la portance de l’aile étant alors théoriquement dirigée vers le bas) ? J’aurais stipulé que les avions de voltige ont des profils presque symétriques. Mais Xavier m’a fait remarquer qu’un profil symétrique développe de la portance seulement s’il a une incidence. Et le vol sur le dos sur un avion de voltige se fait avec une forte incidence (la queue est bien plus basse que l’aile)…Et dans ce cas, le point d’arrêt se décale sur le bord d’attaque et donc la distance à parcourir sur l’extrados est bien supérieure a celle parcourue sur l’intrados : donc point à éviter !
Exemple de sites développant cette explication
Centre de vol à voile de Saint Florentin – Cheu
Liens spécifiques voile
Creating lift and avoiding drag
IV – Théorie basée sur l’effet Venturi
Les défenseurs de cette théorie mettent en avant l’idée que la surface supérieure d’une aile agirait comme un venturi qui accélèrerait le flux. Cet effet bien réel porte le nom de son découvreur, Giovanni Battista Venturi. Le théorème de Bernoulli permet d’expliquer ce phénomène : puisque le débit de fluide doit être constant (la nature à horreur…) et que la surface de passage diminue, la vitesse augmente nécessairement (du fait de la conservation de l’énergie). L’augmentation d’énergie cinétique se traduit par une diminution d’énergie élastique, c’est-à-dire une dépression. Notre plan porteur faisant obstacle au flux, il y aurait resserrement du flux et augmentation de la vitesse sur la partie supérieure du plan. Il découlerait de l’accroissement de la vitesse une pression inférieure sur l’extrados, d’où création de portance…
Oui mais
Cette théorie, qui rejoint celle de Bernoulli, est basée sur l’idée qu’un plan porteur agirait comme un col venturi. Avec une surface de départ (ou zone de passage du flux) importante, une surface diminuée et enfin, de nouveau une augmentation de la surface. Mais un plan porteur n’est pas un col venturi. Il n’y a aucune autre surface pour représenter l’autre moitié du col ! Certains documents avancent le fait que les « couches d’air » supérieures remplaceraient l’absence de surface au dessus du plan pour matérialiser le col venturi ! Cette théorie impose un resserrement du flux, ce pourrait être le cas sur l’extrados, avec un resserrement entre le bord d’attaque et la zone d’épaisseur maximum, mais ce ne l’est pas le cas sur l’intrados de profils asymétrique. Intrados qui entre tout de même pour ¼ dans le développement de la portance.
Si vous doutez encore de l’inexactitude de cette théorie, sachez qu’il a été démontré qu’une plaque plane peu générer de la portance (au prix d’une forte traînée, c’est vrai). Dans ce cas, l’effet venturi serait complètement absent puisqu’il n’existe aucun resserrement ! Et pourtant il est possible de faire voler un « avion » muni de surfaces portantes plates : comme un fer à repasser volant ou une tondeuse à gazon !
Exemple de sites développant cette explication
Sportflying – Flight training manuel
(Voir en bas de page 26, les dessins expliquant l’origine de la portance)
A suivre…
Cet article étant « un petit peu beaucoup » long, je vous propose de découvrir les prochaines parties dans quelques semaines… Avec si besoin, un « Ptites News » intercalé histoire de ne pas passer à côté d’une actualité et pour rajouter un peu de suspens !
La suite se trouve ici !
Mais vos premières remarques sont les bienvenues.
Foilers ! 
L’explication de Xavier pour la portance des ailes de profil symétrique, portance qui est liée à l’incidence qui di-symétrise, est valable aussi pour une voile de bateau. Je nuancerais donc la phrase
»
On sait que le gréement d’un voilier est une aile qui génère de la portance. Pourtant, à quelques centimètres près (liés à la présence du mat), l’intrados et l’extrados d’une voile sont de même longueur !
»
Félicien
Bonjour Félicien,
Merci de ton intervention, tu as raison de signaler ce point qui est aussi valable pour une voile souple.
J’estimais que le fait de dire « à quelques cm près » et de notifier la présence du mat, qui peut aussi être pivotant et générer une encore plus grande différence de corde, était suffisante pour atténuer cette notion d’égalité intrados / extrados.
Mais avouons tout de même que la différence intrados / extrados d’un gréement souple est bien inférieur à la différence intrados / extrados d’une aile dissymétrique !
Si différence il y a (et il y en a une !), elle peut difficilement à elle seule expliquer la création de la portance.
Mais en effet, pour une voile aussi l’incidence décale le point de séparation des flux et donc la distance de ce point avec le bord de fuite !
Fred
Merci merci. Ça fait plaisir de voir tout ce que je ne sais.
Avez vous des détails sur le projet « libryd » apparu récemment sur le site de l’hydroptère ?
Bonjour Saulnier,
Je te rassure, avant de commencer cet article, je ne « savais rien » ou presque ! J’ai beaucoup appris en le réalisant et j’apprendrai encore car je ne suis pas certain d’avoir raison du début à la fin ! Donc j’attends avec impatiente les possibles remarques. Je pense que la suite sera plus intéressante, mais je vais laisser cette première partie un petit moment en place pour quelle soit lue ! Et puis, j’ai encore un peu de mise en forme à réaliser.
J’ai vu le projet l’Hybrid, j’en avais un peu parlé dans le précédent « Ptites News », le 22 :
https://foils.wordpress.com/2011/11/15/ptites-news-22/
A bientôt
Fred
Bonjour,
L’explication basée sur les lois de newton (que vous appelez effet ricochet) est assez bien expliquée sur http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_%28force%29#Newton.27s_laws:_lift_and_the_deflection_of_the_flow
En effet l’aile modifie la quantité de mouvement du fluide qui en retour exerce un effort sur l’aile dont la portance. La modification de la vitesse des particules de fluide se faisant aussi bien au niveau de l’extrados que de l’intrados cette explication se dispense du « oui mais ».
L’explication basée sur le théorème de Bernoulli doit pour être précise être utilisée sur les lignes de courant. L’écoulement peut alors être séparé en deux: les lignes de courant au dessus de celle comportant le point d’arrêt (extrados) et celle en dessous (intrados). On comprends alors bien pourquoi la vitesse à l’extrados doit être supérieure à celle à l’intrados pour conserver le débit de part et d’autre de cette ligne de courant.
L’explication basée sur l’effet Venturi est identique à la précédente. En ce qui concerne l’intrados l’effet est opposé à l’effet venturi (ralentissement donc surpression) comme on peut le voir sur la courbe http://www.modelisme.com/forum/members/franck-a-albums-fa-picture3351-evolution-du-coefficient-de-pression-cp-autour-dun-profil-planche.png&sa=X&ei=3mrfTsaLLZHusgb1-KGFCQ&ved=0CAsQ8wc&usg=AFQjCNETpWj2KXUA92UrySAkvWmyeDLLug
Bonjour « Ebw »,
Merci pour ta réaction et désolé pour cette réponse tardive, je suis en panne de PC.
La loi de Newton qui énonce que pour toute action il a réaction, peut être évoquée à différents niveaux. Pour mon explication de la théorie du ricochet, ce n’était que pour parler de la réaction des molécules venant frapper l’intrados. Mais la 3ème loi de Newton peut être aussi évoquée à d’autres niveaux quand on parle de flux par exemple… Pour cette théorie, l’évocation que je fais de cette loi ne permet pas de l’appeler « explication basée sur la loi de Newton » ! C’est d’ailleurs pour cela que je ne l’ai pas fait ! Ton explication de modification du fluide autour du profil n’a pour moi qu’un lointain rapport avec l’effet ricochet tel que je le présente.
Tu seras peut être plus en accord avec le reste de l’article, car je pense que ce n’est qu’une question d’expression de certains phénomènes. Les phénomènes que tu évoques sont abordés plus loin, partie 2 par exemple et là, il y a bien une théorie que j’appelle « Théorie de l’écope ou de Newton » (voir point VII).
En ce qui concerne Bernouilli, tu dis : « On comprend alors bien pourquoi la vitesse à l’extrados doit être supérieure à celle à l’intrados pour conserver le débit de part et d’autre de cette ligne de courant. » Tu parles de conservation du débit, mais il a été démontré que la vitesse est même supérieure sur l’extrados que sur l’intrados. Donc il n’y a pas de « conservation du débit », celui-ci est même supérieur sur l’extrados que sur l’intrados. L’explication populaire, comme je l’appelle, qui parle de distance supérieure et donc de vitesse supérieure pour que les flux arrivent en même temps ne suffit donc pas à expliquer cette sur-vitesse !
Pour l’effet venturi, tu sembles penser que Bernouilli pourrait l’expliquer. J’ai déjà dit ci-dessus ce que je pense du fait de se baser exclusivement sur cette théorie (exacte) pour expliquer la portance. Mais revenons à ce que j’ai noté, je parle bien de théorie partant du principe que l’aile était un demi-venturi. Faut-il comprendre, que l’aile forme un demi-venturi ?
Il semble, que tu ne sois pas d’accord avec mes « oui mais » de l’effet ricochet, de la théorie basée sur celle de Bernouilli et enfin de l’effet venturi. Pour moi, et tel que je les ai formulées, ces 3 premières théories ne sont pas fondées. Comme expliqué dans mon introduction, certains phénomènes sont réels, c’est leur utilisation pour expliquer la portance qui n’est pas exacte.
A bientôt après les prochaines parties.
Fred
Bonsoir Fred,
Je n’attends pas la suite de l’article pour dès à présent te féliciter.
A voir le sommaire, cet article s’annonce des plus sérieux et documentés.
Il y a de grandes chances qu’il s’accompagne de commentaires « brulants » … et tant mieux.
Bravo et à bientôt pour la suite des aventures de notre héroïne « Portance »
GG
Bonsoir mon cher et grand ami GG,
Tu as raison sur au moins un point, il va peut être y avoir des commentaires brulants !
J’en ai bien peur !
Fred
Re-salut Fred,
J’ai bien lu toute la première partie de cet article majeur.
Sauf erreur de ma part (ou erreur de mon navigateur Internet – Firefox – ), certains liens semblent morts :
– Patins Catalan
– la Nasa ne donne pas une explication claire
– Physalia physalis
– centre de vol à voile de Saint Florentin – Cheu
@+
GG
Merci GG,
C’est toujours pareil, c’est quand on ne vérifie pas, qu’il y a des conneries !
J’ai du changer un lien, pour les autres, ce devait être une erreur de manip.
Merci à toi, c’est + mieux !
Fred
Je viens de voir ce post.. pas le temps de le lire pour le moment….
Mais j’en salive déjà!!!
Merci Fred!!
Bonjour Fred,
Article très prometteur, mais à la fin de la lecture une chose me chagrine: après avoir ébranlé mes maigres certitudes sur la portance (enfin plutôt réduites à néant), j’espère grandement retrouver une sérenité de corps et d’esprit dans les parties suivantes… Malheureusement je sens que je vais encore être perturbé comme un fluide pas vraiment acceléré d’un extrados!
Je me trompe?
Bonjour Popov,
J’espère tout de même essayer de répondre à des questions et proposer une ou plusieurs possibles explications qui seront le reflet de mon « analyse » et surtout de celles de théoriciens !
Tu vas en effet, peut être devoir attendre le 3ème volet de la « saga » !! Mais le fluide est tout de même accéléré sur l’extrados, la question est plutôt pourquoi ?
Fred
Formidable, comme d’habitude, l’attente des autres post sur le même sujet, vas être difficile. Pardon fred mais « La ventilation : Un peu d’air dans ce monde de fluide ! » c’est moi. 😉 Mon ego hypertrophié n’as pu se taire…
PS: j’écris ce message avec mes chevilles mais je me soigne.
Bonjour Gurval, j’ai honte !
Oh la bourde !
Ce n’est pas un problème d’égo, il faut rendre à César…
Je vais mon possible pour corriger cette erreur.
J’ai pour le moment de gros soucis de PC (j’écris ce « mail » d’un autre PC que le mien).
Et j’ai des problèmes de connexion sur WordPress !
Encore désolé !
Amicalement
Fred
PS : à ceux qui lisent ce message, merci de bien prendre note de cette correction et je vous conseille de visiter « La ventilation : Un peu d’air dans ce monde de fluide ! » de Gurval…
j’ai de la chance, mes commentaires ont déjà été ajoutés directement dans l’article!
j’attend de voir la partie 3/3 mise en forme!
sinon,ca semble fini pour sailrocket2, jusqu’à l’automne prochain…?
Xavier,
Mais oui, j’ai respecté tes commentaires et je ne me suis pas approprié tes idées !!
Quel suspens pour Sailrocket 2. Il faut que je retourne sur le blog, le dernier message que j’ai lu était assez particulier, difficile de savoir ce que Paul pensait de l’efficacité des foils testés…
A bientôt
Fred
Je m’excuse par avance de poser cette question un peu en vrac sur le blog.
Avez-vous des informations précises sur les profils choisis pour les foils en V.
Car quand je fais des simulations numériques, les profils les plus fins (au sens finesse) semblent plus fins (au sens épaisseur) et plus creusés (ex.: Naca 4303).
Encore merci d’avance.
Bonjour David,
Pourrais-tu nous donner des précisions sur les méthodes de simulations numériques que tu emploies ?
En utilisant des logiciels trouvés sur Internet (mais reconnus comme XFoil de Marc Drela) je constate que les profils à faible épaisseur relative et forte cambrure n’ont une bonne finesse (pas exceptionnelle) qu’à de faibles angles d’attaque (entre 0 et 5 ° environ) Aussitôt que l’on s’éloigne de cette petite fourchette d’utilisation, le rapport portance/traînée diminue très rapidement.
à plus,
GG
Re-bonjour,
J’ai réalisé les simulations numériques avec OpenFoam. J’ai fait un petit générateur de maillage pour les profils Naca 4 digits. Puis, j’ai passé en revue tous les profils Naca 4 digits à 20 noeuds, dans de l’eau de mer, pour un anlge d’attaque variant de -5° à 20°.
Ta remarque est juste sur le fait que ce type de profil est performant sur des angles faibles puis à tendance à chutter (voire devenir instable du point de vue de la simulation).
Si j’essaye de voir ce qui pourrait faire varier l’angle d’attaque:
– Pour un V, les deux foils ont un angle l’un par rapport à l’autre qui ne varie pas (sauf déformation de la structure).
– A ma connaissance il n’y pas ou peu de lacet (grace à la foil au V et au foil arrière).
– On va supposer que le roulis est faible…
– Si on suit ce raisonnement à l’arrache c’est le tangage qui impacte le plus l’angle d’attaque ?
dd
Bonjour David,
Quelques remarques en vrac.
– 5° est déjà un angle d’attaque relativement important, je suis étonné que ton étude porte sur des angles de 5 à 20 et non pas de 0 à 5° !
– Si tu souhaites travailler sur un hydrofoils à foils à 45°, tu pars sûrement sur des foils asymétriques, donc à des foils qui déjà sans incidence ont de la portance, donc encore plus à 5°.
– Après, tu risques d’avoir des risques de décrochage.
– Si au cours de ton étude tu n’as pas la portance nécessaire, je pense qu’au dessus de 5°, il faut plus miser sur la surface que sur l’incidence. Je ne pense pas que la trainée d’un plus grand foil à 5° soit supérieur à celle d’un plus petit à 10° (pour la même portance)…
– Sauf si tu planches sur un engins à moteur, ce qui va te faire modifier ton incidence, c’est la dérive. Le foil sous le vent ayant au final une incidence différente de celle au vent. Donc, non, on ne peut pas dire que l’incidence des foils est identique ! Par rapport à la plate forme, oui, par rapport au flux, non…
Pourquoi optes tu sur des foils en V ?
Sauf si c’est secret défense, n’hésite pas à nous en dire plus !
A bientôt
Fred
re,
j’ai pas dit 5° à 20 mais bien -5° à 20. En fait au début j’avais commencé par des angles de 0° à 7°, puis dans un élan de curiosité j’ai refais tourné les simulations une semaine de plus…
Je te confirme aussi les risques de décrochage !
Je suppose en effet, que l’engin est tracté.
En fait, j’ai une préférence pour les foils en T, mais tout ceci est un peu nouveau pour moi, alors j’essaye de comprendre.
Il n’y a rien de secret défense, mais si je commence à exposer toutes les idées fumeuses que j’ai dans ma petite tête je risque de saturer le blog !
Pour le moment, j’essaye de combler un peu mon incompétence dans différents domaines donc je me documente, je calcule, etc. Dès que j’ai quelque-chose de concret vous serez parmi les premier au courant.
Bonjour David,
Je réponds un cran en dessous pour éviter d’avoir un message de 1 cm de large…
Fred
Bonjour David,
« – Si on suit ce raisonnement à l’arrache c’est le tangage qui impacte le plus l’angle d’attaque ? »
Je pense aussi comme toi.
L’angle d’attaque des foils avant dépendent donc de l’assiette longitudinale du bateau qui elle même dépend en grande partie du réglage du foil arrière … mais aussi de la vitesse et éventuellement de la composante vélique vers l’avant.
C’est la raison pour laquelle, à mon humble avis, les systèmes à foils traversants (qui semblent à priori plus simples) sont plus difficiles à concevoir et à régler.
Bon courage dans ta réalisation et tiens-nous au courant STP.
GG
Re- bonjour David,
Désolé pour le -5° ! En effet, j’ai lu trop vite !
N’hésite pas à revenir, à poser des questions, exposer ton projet.
Nous pouvons aussi réaliser un article du type :
https://foils.wordpress.com/2010/03/10/questionreponse-4-les-limites-des-hydrofoils-par-alban-et-tristan/
A bientôt
Fred
Re-bonjour à tous,
Pour les foils en T, vous avez des documents donnant les spécifications pécises desprofils et tout et tout ?
dd
Bonjour David,
Un exemple parmi bien d’autres de ce que l’on peut trouver sur Internet :
http://epervier.sudluberon.free.fr/spp/21profil.htm
Il est à noter que c’est bien souvent sur les sites « aéromodélisme » que l’on trouve son bonheur.
Pour les conditions qui nous intéressent dans un premier temps, les formules aéro nous conviennent parfaitement. Seuls changent la densité du fluide et le nombre de Reynolds.
Quant aux systèmes de régulation de l’angle d’attaque des foils, je te rappelle que tu as plusieurs articles sur ce site. J’ai retrouvé celui-ci :
https://foils.wordpress.com/2009/09/23/
mais il me semble qu’il en existe au moins un autre (voir avec F. Monsonnec).
Bon courage,
GG
Merci encore pour les réponses.
« Seuls changent la densité du fluide et le nombre de Reynolds. »
En fait, la viscosité du fluide change et l’air est compressible contrairement à l’eau.
J’avais testé Xflr5 (dédié au modélisme) il y a quelques temps mais les résultats me semblaient très optimistes !
Il semble que les codes de calculs d’autres outils correspondent mieux aux hydrofoils.
Sinon, pour l’aéro je suis tombé il y a qqs temps sur ce petit rapport: http://cmst.curtin.edu.au/local/docs/pubs/colley_modelling_flow_around_a_NACA_0012_foil2011.pdf
dd
Bonjour David,
« En fait, la viscosité du fluide change »
En effet, mais je crois que la viscosité du fluide n’intervient que dans le calcul du nombre de Reynolds.
» …l’air est compressible contrairement à l’eau. »
Je ne saurais pas dire pourquoi mais il me semble avoir lu que la compressibilité de l’air n’entre pas en jeu (l’air est considéré comme incompressible) à des vitesses nettement inférieures à la vitesse du son (?)
Le logiciel XFLR5 utilise comme « coeur » le logiciel Xfoil de Marc Drela (assez réputé, je crois, pour des Reynolds faibles (< 1 000 000) )
Je pense en effet qu'il est assez optimiste (concernant le calcul de la traînée) car il ne prend pas en compte l'allongement de l'aile (allongement infini). Je crois en revanche qu'il donne une assez bonne idée du Coeff de portance. C'est déjà une base qui permet de faire un premier foil sans trop se tromper.
à plus,
GG
Calcul de traînée d’un foil
Xfoil est un modèle de calcul de profil en allongement infini qui ne prend en compte ni la traînée induite (par la portance), ni la traînée de vague (proximité de la surface). Ces deux derniers termes peuvent être 3 ou 4 fois plus grands que la traînée de frottement du foil.
Le Cf calculé par X foil est valable en aéro. En Hydro, il faut modifier le « Ncrit » pour mieux simuler la transition laminaire-turbulent, ce qui augmente le Cf. Voir Xfoil forum.
Pour essayer de calculer en 3D, on peut utiliser AVL (de Mark Drela) pour avoir l’allongement effectif, mais il reste à calculer la traînée de vague de surface (il y a des formules dans Hoerner). Il faut aussi rajouter les traînées d’interaction foil-montants, et essayer d’estimer l’effet des montants sur la répartition de portance. Il y a aussi la traînée d’embruns…
Nombre de Reynolds
Dans cet article, on trouve :
Re=(v*d*µ)/n
avec v : vitesse, d : distance caractéristique, µ : masse volumique du fluide, n : viscosité dynamique
Dans Hoerner (Résistance à l’avancement dans les fluides), ou dans wikipedia, on trouve une notation différente :
Re = v. L / nu
avec nu (ou v en grec) = viscosité cinématique = mu / rho
mu (ou µ en grec) = viscosité dynamique
rho = masse volumique
Xfoil, Coef de portance et pente de portance
un logiciel comme Xfoil qui travaille en 2D (allongement infini) donne une pente de portance voisine de 2 pi en Cz/rad, soit 0.11 Cz/deg. En 3D on a une pente de portance nettement plus faible, de l’ordre de 0.06 à 0.07 pour un allongement de 3 ou 5
Quand on vous dit que l’intrados n’a qu’une importance limitée dans le phénomène de portance …
Voyez ce que DASSAULT fait de ses intrados de Rafale 🙂
Bonnes vacances à tous,
GG
Il y a tout de même une couche d’air entre les bidules et l’intrados de l’aile. Et puis, quand on a un 2 réacteur au cul et les sous pour mettre du cérozene, l’aèrodymamisme c’est plus vraiment le même problème. C’est un peu comme les formule 1 par rapport à celles des 24h du Mans.
Bonne vacances toi aussi.
Et les bidules (les missiles, ) ils n’ont pas d’ailes donc ni intrados ni extrados, et pourtant ils volent…
Salut à tous, salut Trebor,
Autant que je sache, les trois gros truc plus ou moins cylindriques et sans empennage sont des bidons de carburant supplémentaires. Ils ne volent donc pas de façon autonome.
Tous les autres (missiles) ont au moins un empennage à l’arrière.
Bon dimanche,
GG
Bonjour les passionnés de la méca flu. Oui je suis bien d’accord avec vos coms, en fait on doit différencier 2 notions bien distinctes, le vol avec portance, et la propulsion par poussée. Dans le 2ème cas les missiles ont des petits ailerons pour stabiliser la trajectoire, mais l’avancement est fait pat la poussée et la conservation de qté de mvt. J’ai l’impression que pour les avions de chasse on est un peu en mixte des 2 principes, les ailes sont surtout utiles aux décollage et atterrissage, probablement moins en vol, j’ai déjà lu que la portance résultante provenait pour bonne partie du fuselage de l’avion lui même..
Bon dimanche
ils ont de la poussée, ils ont un angle d’incidence quand en vol horizontal et les missiles de croisière ont des ailes…
Trebor, tu devrait peut être aller voir vers les « lifting body planes » ou avion à corp portant en français dans le texte. Les ailes ont encore de l’avenir 😉
Oui Gurval, je ne connaissais pas merci..
http://www.aircrash.org/burnelli/tunnel2.htm
Bon c’est bien ça me change de mon domaine habituel (chimie industrielle)..
Merci beaucoup,
Ce document nous a apporté une grande aide pour expliquer et surtout nuancer notre propos sur la portance dans notre tpe sur les foils
Nu document qui devrait gagner à être connu!