Dans cette partie nous allons nous intéresser aux forces exercées sur le foil et comprendre comment il peut soulever la coque d’un bateau ou d’une planche de kitesurf. Afin d’illustrer nos propos et de mieux comprendre le fonctionnement du foil, vous trouverez en fin de partie, une expérience réalisée par nos soins.
Les forces induites sur un foil sont comparables aux forces appliquées sur une aile d’avion. En effet, les forces aérodynamiques sont similaires aux forces hydrodynamiques, car les ailes d’un avion et les foils évoluent dans des fluides (air et eau), et ont un profil, une forme « d'aile », permettant la création de portance. Néanmoins, l'air et l'eau ne sont pas exactement identiques. En effet, ils se distinguent en un point important : la viscosité. Nous verrons les différences que cela entraine. La résultante de la portance s'appelle la traînée, elle freine l'objet dans le fluide.
Ainsi, deux forces principales sont observables :
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â–º la portance
â–º la traînée
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Tout d'abord, définissons la portance : D'après le dictionnaire en ligne Larousse, la portance est :
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« la composante de la résultante des forces de pression qui s'exercent sur un corps en mouvement dans un fluide, perpendiculaire à la direction de la vitesse. »
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Celle-ci nous apprend donc que la portance résulte des forces de pression, c'est-à-dire de la différence de pression entre le dessus et le dessous de l'aile (extrados: dessus, intrados: dessous). Elle nous dit aussi que les forces de portance ne sont observables uniquement que si l’embarcation se déplace dans un fluide, et que celles-ci sont perpendiculaires à la direction de ce déplacement, noté Vr.
Grâce au schéma ci-contre, nous pouvons voir sur l'extrados, les forces de dépression qui "aspirent" l'aile et sur l'intrados les forces de surpression qui "poussent" l'aile. Le schéma nous apprend aussi que les forces de dépressions sont bien supérieures aux forces de surpression. L'aile est donc plus aspirée vers le haut que poussée.
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surpression
​A présent, définissons la trainée:
La traînée est une force perpendiculaire à la portance. Elle représente les forces de frottements qui freinent les déplacements d'un objet dans un fluide. Dans notre cas, l’objet est le foil et le fluide est l’eau.
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Nous pouvons maintenant faire un bilan des forces appliquées sur un foil:
Nous pouvons voir sur le schéma que la force ainsi générée par l'écoulement de l'eau autour du profil d'aile s'appelle la portance hydrodynamique ou résultante hydrodynamique. Elle est notée R.
Sur les schémas ci-dessus, nous pouvons constater que seuls des profils d'ailes sont représentés. Nous pouvons alors nous demander: est-ce qu'un profil d'aile est primordial pour créer de la portance et soulever son support ?
Les 2 schémas ci-dessous montrent la différence d'écoulement d'un fluide entre un profil d'aile et une sphère:
Sur le schéma de gauche, nous pouvons observer l'écoulement des fluides sur une sphère. Nous pouvons voir qu'il n'y a aucune création de portance due à la forme identique en haut et en bas de la sphère. N'ayant pas de différence de forme, il n'y a pas de différence de vitesse entre l'intrados et l'extrados et donc pas de différence de pression. A l'inverse, sur le schéma de droite, dû à sa forme profilée, une différence de vitesse entre l'intrados et l'extrados créée une différence de pression qui engendre de la portance. De plus, la sphère génère davantage de trainée car les fluides se rencontrent à la même vitesse au même niveau ce qui génère une aspiration et la freine considérablement. Seule une aile profilée génère alors une portance suffisante pour soulever son support mais elle permet aussi de diminuer au maximum la trainée.
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Mais comment calculer la portance et la traînée?
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La portance est calculée d'après la formule: Et la traînée, par la formule:
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Où ρ est la densité de l’eau soit 1000 kg/m3, S la surface alaire en m², V la vitesse du foil en m/s, Cz et Cx les coefficients caractéristiques du profil déterminé expérimentalement en soufflerie par méthode numérique.
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Exemple:
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Pour un foil allant à 10m/s (soit environ 19.5 noeuds), avec une surface S de 0,5 m² (surface moyenne pour un kitefoil), un coefficient de portance de 0.3 et un coefficient de traînée de 0.008, celui-ci fournira:
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une portance de : P = 1/2 x 1000 x 0.5 x 10² x 0.3 = 7500 N
et une traînée de: T = 1/2 x 1000 x 0.5 x 10² x 0.008 = 200 N
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Ce qui est, dans le cas des kitefoils, un très bon rendement.
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Expérience:
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Pour cette partie, nous avons souhaité vérifier ce que les animations nous apprenaient plus haut. Alors, nous avons fait deux simulations par ordinateur grâce au logiciel SolidWorks, développé et utilisé par Dassault. Nous avons plus particulièrement utilisé l'extension SimFlow du logiciel afin d'obtenir des simulations de l'écoulement des fluides sur une sphère et un profil d'aile.
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Les simulations confirment donc bien les éléments soulevés précédemment, la sphère ne crée pas de portance contrairement au profil d'aile.