Dispositifs anti-ventilation

Les systèmes empêchant la propagation de la ventilation

Cet article essayera de traiter des dispositifs empêchant une bulle de ventilation de se propager depuis la surface vers une surface portante, le long d’une surface verticale (safran, jambe d’un foil en T) ou inclinée (foil traversant).

Lorsqu’un profil a une forte charge, cela crée une forte dépression sur son extrados, ce qui peut alors aspirer de l’air depuis la surface.

En transposant des astuces utilisées sur les avions, j’ai imaginé 6 familles de solutions résolvant ce problème. Les 3 premières étant bien connues, je les rappelle juste pour tenter d’être exhaustif.

I-Diminution de la charge alaire

Sûrement la solution la plus simple, elle consiste à :

  • augmenter la surface
  • diminuer l’incidence
  • changer de profil pour un profil avec un Cz plus faible.

Ainsi, la dépression locale sera plus faible, bien que la portance totale reste la même.

Ceci dit, ces 3 actions repoussent plutôt le problème (la ventilation réapparaîtra à plus haute vitesse) qu’elles ne le résolvent. De plus, on augmente fortement la surface mouillée, la traînée…

On peut aussi essayer de diminuer la portance totale : régler la voilure pour qu’elle pousse moins le bateau sous le vent (meilleur Cz/Cx, choquer, prendre un ris…), éviter les surcharges transitoires (contrôle de la pression du pied arrière en windsurf pour éviter le spin-out, systèmes d’amortissement, pilotage en douceur), incliner le bateau et se servir du foil principal pour assurer l’anti-dérive (moth à foil),…

II-Changement de l’angle de flèche

Un problème similaire s’est posé en aéronautique (ma référence préférée, les efforts de R&D y ayant été plus élevés) lorsque les premiers chasseurs à réaction ont fait leur apparition au sortir de la 2nde Guerre Mondiale, munis de l’aile en flèche inventée par les Allemands.

Messerschmitt 262, une des premières ailes en flèche - http://www.aviastar.org/air/germany/me-262.php

 

La flèche est l’angle formé entre le bord d’attaque et la direction d’avancement de l’appareil.

A faible vitesse (donc à forte incidence), les filets d’air ont tendance à glisser, vers l’extérieur. Ceci diminue la portance de l’aile. Or, c’est justement aux fortes incidences (virages serrés, atterrissage) que cela est critique. De plus, les bouts d’aile (qui sont munis des ailerons contrôlant le roulis) en pâtissent en premier, créant de graves problèmes de contrôle à basse vitesse (rajoutez à cela des réacteurs longs à changer de régime et vous obtenez une série de crash dans les années 50).

Bien que ca ne soit pas tout à fait comparable à la propagation de la ventilation, c’est une problématique similaire : bloquer la propagation d’une discontinuité de pression le long d’un profil.

La solution évidente de diminuer la flèche n’en est pas une puisqu’alors ce n’est plus une aile en flèche…

Par contre, on peut avoir une flèche dite négative

Sukhoï 47 berkut et moth. Flèche inverse sur les ailes ainsi que la jambe du foil - DR

Avantages : Intuitivement, on comprend bien que les filets d’air glissent alors vers l’intérieur, ou qu’une bulle de ventilation aura besoin de très forts gradients de pression pour se propager « vers l’avant ». La construction du moule est aisée.

Inconvénients : Comme dit dans l’article sur les obstacles, cette flèche négative est un piège à crasse. Cette formule crée de graves problèmes structurels en torsion, compliquant la construction de l’intérieur du foil (longerons, boites de torsion etc).

III-Les fameuses fences ou cloisons

Multiples cloisons d’un Sukhoï 22 - Dermsdorf/Kölleda, Allemagne - wikipedia

C’est la première solution qui a été appliquée aussi bien en aéronautique que dans le monde des foilers. Son adaptation aisée sur un profil déjà construit présentant des problèmes est une des explications de son succès. De plus, on comprend intuitivement son mode d’action. C’est une barrière physique bloquant un phénomène se propageant transversalement.

Fences empêchant la ventilation de descendre, foil en L Trifoiler - photo F Monsonnec 2005

Mais elles ont été abandonnées en aéro. à partir des années 60. Peu efficaces, créant beaucoup de surface mouillée, compliquant la construction. Dans le cas où elles auraient réussies à perdurer jusqu’aux années 90, l’apparition de la furtivité et de la réduction de la SER (Surface Equivalente Radar) les aurait supprimées.

L’hydroptère a depuis changé de foils et abandonnés ses fences, serait-il là aussi un précurseur ? - photo F Monsonnec 2003

Avantages : « retrofit » possible, conception intuitive, solution éprouvée. 

Inconvénients : piège à crasse, construction pénible, traînée (surface mouillée + liaison de 2 profils à 90°)

IV-Les décrochements de bord d’attaque

Cette solution vise à remplacer la barrière physique par une immatérielle, constituée par des vortex créant une forte discontinuité du champ de pressions.

Décrochement de BA et son vortex

Cette illustration ainsi que d’autres sont issues de ce très bon site.

Cette solution a été très utilisée sur les avions dotés d’aile delta (ailes qui nécessitent de toute manière des calculs poussés de vortex), mais on remarque peu ces décrochements car on les confond généralement avec les volets/becs de bord d’attaque.

Avantages : peu de traînée

Inconvénients : conception nécessitant des calculs poussés, non « retrofittable » ou ajustable (je me vois mal tronçonnant un foil), construction difficile (imaginez la forme d’un éventuel longeron, disposer les peaux sur le moule,…)

L’hydroptère présente maintenant des décrochements de BA, mais je pense que c’est plus pour séparer les profils « basse vitesse » servant au décollage et le reste du foil « haute vitesse »

V-Le bord de fuite en dents de scie

Là aussi, le but est de créer des tourbillons qui vont séparer les flux. Toutefois ici le but semble plus d’empêcher les décrochages de bouts d’aile de migrer vers l’avant.

 

B-2 et son bord de fuite en dents de scie

Cette fois, c’est de ce site que viennent les illustrations.

Cette solution est très peu documentée, c’est la plus récente et sûrement la plus complexe à calculer. De plus, son utilisation sur des appareils  modernes reposant sur un asservissement électronique pour voler est assez éloignée d’un foiler. Enfin, les dents de scie participent activement à la furtivité, dès lors il faut démêler avantages aérodynamiques et avantages signature radar, donc on ne sait pas toujours ce qui à poussé le concepteur à ce choix.

Avantages (sur le papier) : seule solution ne piégeant pas les algues.

Inconvénients : profils à corde variable (problème de nombre de Reynolds, etc), forme complexe, non « retrofittable », non ajustable, non éprouvée.

VI-La fente d’aile

Le meilleur pour la fin. Cette solution est appliquée sur de nombreux avions de combat, mais elle est peu remarquée car très discrète.

Fente réalisée sur le BA, créant des vortex

Cette solution, comme les deux précédentes, a l’avantage de créer peu de traînée à basse vitesse, et de gagner en efficacité au fur et à mesure que la vitesse augmente.

Avantages : facilement « retrofittable » et ajustable

Inconvénients : je n’en vois pas. Peut être est-elle peu efficace pour une application anti-ventilation ?

Il me semble donc que c’est la meilleure des solutions, peut être en combinaison avec la 1. Faire une encoche à la scie sur le bord d’attaque et poncer paraît plus simple qu’installer des cloisons. Et si cela ne marche pas, il suffit de réutiliser les moules femelles pour faire un coffrage et « reboucher », ou pour diminuer la fente. L’agrandir ne devrait pas être un soucis.

Conclusion

Aujourd’hui, les fences sont la réponse dominante (voire unique) des foilers ayant des soucis de ventilation. Au vu de leurs inconvénients et de l’existence de solutions plus simples (bien que moins intuitives), cela m’étonne que le monde de la voile ne s’en débarrasse pas tout comme l’aéronautique les a délaissées depuis 50 ans.

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8 Responses to Dispositifs anti-ventilation

  1. Guy Capra dit :

    Très bel article, merci !

    Au sujet de la conclusion : il est vrai que parfois le paradoxe du retard de ceux qui utilisent la haute technologie peut nous laisser perplexe.
    Je crois que c’est simplement un phénomène de « même » (voire « le gêne égoïste ») qui veut que dans un domaine où tout est tendu à l’extrême on cherche automatiquement à se rassurer en faisant comme nos semblables.
    D’où la réitération d’erreurs identiques avant qu’un être véritablement grégaire (ça ne fonctionne pas avec les ermites) casse la mode et inverse la tendance. S’ensuit l’accumulation d’erreurs dans l’autre sens, puis le lissage des différentes solutions dans le temps, pour arriver à terme à la meilleure d’entre elles.

    Une sorte de Darwinisme de la Hi-Tech en quelque sorte 😉

  2. Patrice FLOTTES dit :

    Je ne suis qu’un simple lecteur de vos « foilies » et n’ai donc pas compétence en la matière.
    Cependant, par comparaison aux sites aéronautiques, il me semble que les marins sont en train de découvrir le raccord KARMAN et les profils trapézoidaux ou élliptiques (foils des moth par exemple)
    Me trompe-je ?

    De Fred de Lo administrateur : je me suis permis de déplacer le message ci-dessus de Patrice de la page « Les auteurs » à cet article (la page « Les auteurs » n’ayant pas pour but de recevoir des messages !)…

  3. Patrice,
    Très intéressantes remarques. C’est vrai que ce type de raccordement pourrait être étudié sur les foils en T.
    C’est vrai que bien souvent nous ne sommes peut être pas assez ouverts d’esprit et qu’il serait bon d’aller voir ce qui se fait dans d’autres domaines (j’entends déjà la remarque : « parle pour toi ! »).
    Il ne faut pas oublier que s’il y a depuis quelques années une accélération de l’histoire, et que l’on voit de plus en plus d’images de bateau volants au dessus de l’eau, de 1900 à 2000 c’est seulement un peu plus de 100 voiliers qui ont décollés au dessus de l’eau (et certaines fois pas longtemps !). Même si maintenant il existe des bateaux à foils réalisés en « série », il existe toujours des bricoleurs, en Moth ou sur d’autres plate forme, des passionnés (dont je fais partie). Ce blog est surtout fait pour ceux là, pas les pro, les accro ! Nous n’avons ni les moyens (économiques et techniques), ni le recul, des concepteurs d’engins évoluant dans les airs. Mais en effet, ta remarque est judicieuse…
    Fred

  4. gurval dit :

    Bonjour xav.

    Je vois que nous avons + ou – les même lectures. Les vortex sur les BA des ailes en V sont aussi là recoller la couche limites, donc garder une bonne portance même avec une forte incidence. Dans l’eau c’est un peu differents, non?. Il y a, comme tu le dit les BF en dent de scie, mais il y a aussi les BA en dents de scie, et justement ce principe vient de l’eau.
    http://www.imaginascience.com/actualites/accueil_actualites.php?action=fullnews&showcomments=1&id=373
    http://www.cleantechrepublic.com/2009/03/06/des-pales-en-forme-de-nageoire-de-baleine-pour-doper-la-performance-dune-eolienne/

  5. xavierlabaume dit :

    @gurval : merci pour le complement. je considere que de multiples decrochements de BA et un BA en dent de scie sont tres similaires.

    @Patrice Flottes : les raccords seraient interessants a experimenter sur des fences, mais en hydro, la surface frontale est bien plus penalisante qu’en aero…or les conges de raccordement font augmenter la surface frontale.

    les distributions de portance elliptiques (en se servant d’ailes trapezoidales, elliptiques, de vrillage, de profil variable ou d’une combinaison de tout ca), j’ai l’impresion que ca a toujours ete plus ou moins respecte sur les foilers.

    @Guy et Fred : avec l’informatique (simulations et transmission d’infos), le rythme des test et echanges de donnees devrait s’accelerer (j’ai meme le sentiment que c’est deja le cas).

  6. Bonjour Xavier,

    Bravo pour cet article dont le sujet est un des plus importants pour nous le « foilersphiles ».

    Je me permets néanmoins de faire remarquer qu’il me semble un peu dangereux de confondre les problèmes de décollement de la couche limite (en aéro ou en hydro), les problèmes liés aux vitesses supersoniques (pour l’aéro) et les problèmes de ventilation sur les profils hydro.

    Juste un petit exemple personnel:
    Comme chacun sait, les véliplanchistes connaissent bien le phénomène de ventilation qu’ils appellent SPINOUT. Ce phénomène est d’autant plus brutal qu’il ne se déclenche que lorsque la pression à l’extrados est assez faible pour aspirer de l’air au delà de la carène (je parle là d’une PAV classique). Ayant fait mon service national dans l’armée de l’air, j’avais remarqué sur le Mirage IV que je côtoyais d’assez près le dispositif VI (fente de BA).

    J’ai essayé ce dispositif (très facile à réaliser effectivement) sur un aileron (c’est à dire une dérive) de PAV.
    CATASTROPHE ! Les Spinouts étaient encore plus nombreux et brutaux quelques soient la position et la profondeur de la fente. 😦

    Caramba ! Encore raté !

    à bientôt,

    GG

  7. xavierlabaume dit :

    retour tres interessant!

    pour l’analogie aile en fleche/ventilation qui se propage, je sais qu’elle est trop rapide, c’est pourquoi je m’etais « blindé » en regardant ca du point de vue « propaation d’une discontinuite de pression ».

    les mirages ont en effet ete tres friands de decrochement BA et fentes.
    j’ai du mal a comprendre pourquoi ca n’a pas marche sur l’aileron de wind.
    ca aurait du au moins compartimenter : meme si la partie superieure etait plus sujette au spin-out, la partie inferieure aurait du etre preservee et ainsi il y aurait eu un un fond de puisance fiable…
    tu avais essaye des fences aussi ou pas?

    tu n’avais pas noyé une cam dans la strat pour observer l’aileron?

  8. Re-bonjour Xavier,

    Je poursuis un peu sur le sujet du spinout des planches « classiques » (c’est à dire celles pour lesquelles l’aileron est « protégé » de l’air par un couvercle (la carène)

    A ma connaissance et sous toute réserve, les ailerons les plus efficaces (pour le speed et le slalom en particuliers) sont des lames à surface semi-elliptique (le bord de fuite peut être parfaitement linéaire mais les valeurs de la corde suivent une progression semi-elliptique).
    Les épaisseurs relatives sont de 5 à 8 % pour le speed et 8 à 10 % pour le slalom. Les profils sont assez proches des profils laminaires NACA 63-00XX ( bord d’attaque particulièrement « pointu »). L’angle d’attaque optimum de ces profils est très faible (de l’ordre de 1°). Au delà, la répartition de la pression sur l’extrados devient beaucoup plus « pointue », donc beaucoup plus susceptible de provoquer des spinouts.

    Pour utiliser au mieux ce genre d’aileron … ben, faut être bon, voire très bon:

    – Toujours essayer de faire fonctionner cet aileron à faible angle d’attaque (ce qui permet d’associer harmonieusement l’anti-dérive de l’aileron et celle de la carène)
    – Etre très doux concernant l’appui latéral sur la jambe arrière et être très vigilent concernant la moindre amorce de décrochage.

    Il n’y a donc à priori aucun élément anti ventilation sur ce type d’aileron à l’exception du savoir faire du bonhomme.
    Néanmoins, il y a des possibilités de diminuer très sensiblement cette tendance au spinout.

    1) Dans les années 80 La société BIC livrait la plupart de ses funboards avec un aileron dit « window »

    J’ai essayé ce genre d’aileron et la différence était spectaculaire, surtout pour un bourrin semi débutant comme moi. Inconvénient : très nettement plus de traînée.

    2)J’ai essayé de fabriquer des ailerons avec un profil de type NACA 4 chiffres (NACA 0011 dans mon cas.)Ce profil a un bord d’attaque très « rond » et accepte beaucoup mieux des angles d’attaque importants (voire jusqu’au décrochage qui se fait progressivement) Là aussi, c’était un grand plaisir pour moi de ne plus avoir l’appréhension du spinout, même si ma vitesse était moindre.

    à plus,

    GG

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