Les foils

 

Aile d'un avion, dérive portée par la vitesse de l'eau ou de l'air,
on utilise le foil pour porter le bateau et compenser la poussée latérale du vent.
Le bateau flotte et la poussée d'Archimède porte son poids.
Un plan porteur comme une aile d'avion, une dérive, un foil, est constitué par une surface profilée qui, avec une certaine incidence, crée, perpendiculairement à sa forme, une portance au prix d'une certaine traînée.

On appelle finesse F sur un tel plan porteur le rapport entre :       F=P/T
                la portance obtenue P
                la traînée subie T  

Dans le cas d'un voilier normal, le poids du bateau est compensé par la poussée d'Archimède ou par l'incidence de la coque lorsque celle-ci plane.

Lorsque le vent vous pousse sur le côté ou au près, il faut s'opposer à la poussée du vent  Pv et cette poussée compensatrice est obtenue par un plan porteur appelé dérive (qui crée cette force anti-dérive) Pd  (fig 1 et 2)

On peut utiliser les plans porteurs pour sustenter le bateau.
Cela s'est fait sur des bateaux à moteur.                       fig 3a, fig 3b

Cela s'est fait depuis les années 50 sur des voiliers (catamarans, objectif 100, hydroptère etc…) fig 3c

En général ces plans porteurs appelés foils sont utilisés

 - pour sustenter le bateau  fig 3d
 - pour s'opposer à la poussée du vent fig 3e

donc pour servir de dérive.   Fig 3cToutes les solutions intermédiaires existent.
On utilise souvent les dérives pour sustenter en partie le bateau.
Pour chaque vitesse chaque type de portance est optimum   fig 4

Dans un bateau qui marche sur hydrofoils, la poussée latérale représente 20 à 30 % seulement du poids du bateau.
Sur un monocoque normal, la poussée latérale représente 1 à 10 % du poids du bateau. Donc on utilisera la dérive, même partiellement, pour sustenter le bateau.

La finesse d'une dérive ou d'un foil est de 8 à 20 en moyenne ; il faut avoir une poussée égale à 1/10 du poids du bateau pour sustenter le bateau.
Un monocoque ou un catamaran aura, aux faibles vitesses, une traînée de 1/1000 à 1/100 du poids du bateau.
Par contre, lorsqu'il va partir au planing, cette traînée sera  1/10 à 1/5 du poids du bateau.
A ce moment, à partir des ces vitesses élevées, le foil a un rendement efficacité/portance plus intéressant qu'une coque planante..

Le foil peut être

- uniquement porteur     fig 3d
- porteur et anti-dérive   fig  3c
- local pour modifier l'assiette, par exemple soulager l'avant fig 4 ou augmenter la portance à l'arrière fig 5

 

Principe d'un foil

Le flux d'eau est déformé par un profil immergé :     

  1. d'un côté il  a moins de place pour passer, à l'extrados, le flux est donc accéléré et la pression diminue   A
  2. de l'autre côté, l'intrados, il y a plus de place, le flux donc ralentit et la pression augmente  B
    Nota


D'après le principe de Bernouilli, l'énergie de la particule reste constante :   Epo + Epr + Ec = K  
E
po énergie potentielle     Epr  énergie  de pression   Ec   énergie cinérique

Si la particule reste à la même hauteur, Epo reste constante donc lorsque le flux accélère la pression diminue.

Il existe donc plusieurs types de profils :

Profil classique

Prenons le cas de profils classiques de type NACA  de la figure 1.
La dépression est 2 fois supérieure à la surpression.
Lorsque la vitesse augmente, la dépression finit par augmenter beaucoup et il arrive un moment où la dépression est plus importante que la pression atmosphérique, alors apparaît la cavitation  :    fig 7  
Dans le cas d'un foil qui travaille à la surface de l'eau, la partie en dépression rejoint la surface et un tube apparaît entre la surface et l'extérieur du profil : c'est la ventilation.
Pour éviter ce dernier phénomène on est obligé de mettre des cloisons (FENS).

Cavitation et ventilation sont deux sœurs de même nature. Résultat : l'extrados ne travaille plus du tout.

Profil subcavitant

Pour retarder le moment où apparaît la cavitation (poche de vide), il faut diminuer la dépression à l'extrados donc concevoir une forme telle que le flux est moins accéléré à l'extrados.  Fig 8
Ce problème a été déjà abordé dès les années 70 sur les profils d'aviation pour retarder le moment où le flux de l'extrados dépasse la vitesse du son (profils subsoniques).
Les profils sont donc moins bombés à l'extrados et la courbure est mieux répartie.
Avec les profils de type classique ou ces profils à l'extrados diminué, on peut aller jusqu'à 40 nœuds environ. Au-delà, le profil se met à caviter brutalement  et la portance passe de 3 à 1 dès que l'on va trop vite où que l'on augmente l'incidence.

Chacun a pu ressentir ce phénomène avec des gouvernails : lorsqu'on augmente l'incidence à grande vitesse, le bateau peut devenir incontrôlable.
Dans le cas d'un plan porteur comme un foil, le bateau va décrocher brutalement.

Les foils semi-cavitants

Lorsque l'on dessine un foil, pour diminuer la portance de l'extrados, on arrive à une courbure telle que l'extrados n'arrive pas à rejoindre l'intrados. On obtient ainsi un profil qui est tronqué à l'arrière. Fig 9

Dans un tel profil, si la portance de l'intrados est de 1, la portance de l'extrados est de 1/2.
De tels profils peuvent marcher jusqu'à 60-80noeuds.
Ils sont efficaces dans une fourchette d'incidence assez étroite.
A l'arrière du profil tronqué, il se maintient une poche de vide ou de ventilation en permanence :  C     fig 9

Pour aller plus vite encore, on peut faire des profils qui sont complètement cavitants.
On ne travaille alors que sur l'intrados du profil.
Sur l'extrados, depuis le bord d'attaque jusque loin en arrière du profil, une grande poche de vide est créée  : C  fig 10

Intérêt de l'allongement

Tel qu'il a été décrit jusqu'ici, le profil est vu en 2 dimensions, en section.
Dans a réalité, une aile a une longueur finie.    Fig 11
Près de l'extrémité de l'aile, la surpression de l'intrados a envie de se vider dans la dépression de l'extrados.
Il y a une petite perte de portance près de l'extrémité, un tourbillon apparaît.   F
La meilleure forme pour l'aile :

  1. être le plus allongée possible
  2. avoir une forme elliptique
  3. tordre le profil pour diminuer sa portance aux extrémités

Perturbations dues aux vagues et contrôle

En eau plate, il est délicat de contrôler l'incidence du profil.
En mer agitée, c'est très difficile car il existe des mouvements d'eau dans les vagues.
Pour avoir une incidence constante, il faut que le profil ondule en permanence.
Il est alors nécessaire d'avoir une gestion active du foil :

  1. soit par un palpeur situé en avant
  2. soit par une gestion informatique
  3. soit avoir des foils très grands par rapport aux vagues, triangulaires  (ils traversent la surface et s'enfoncent donc assez profondément)

La finesse de ces différents types de foils

La finesse d'une aile de planeur peut monter à 100.
Le planeur lui-même a une finesse supérieure à 50 aujourd'hui.
Une bonne dérive, bien immergée, peut avoir une finesse  de 20 ou plus;
Un foil en profil classique, au besoin avec quelques fens, peut avoir une finesse de 14 à 16.
Un profil semi-cavitant a une finesse de 12.
Un foil cavitant a une finesse de 8
Tout ceci dans de bonnes conditions.

En effet, pour une immersion donnée à une vitesse donnée, quelle que soit l'incidence, la traînée est presque constante d'après les essais en bassin.

Par contre la portance est variable en fonction de l'incidence.
On a donc intérêt à avoir l'incidence optimum pour avoir la portance optimum, ceci en évitant la cavitation dans le cas des profils classiques et des profils semi-cavitants.

 

Le contrôle de la cavitation

Les profils classiques, cavitants et semi-cavitants  et cavitants, à faible vitesse et vitesse modérée, font travailler l'extrados et l'intrados. Il sont sensiblement une coefficient de portance de 3 par exemple.
Quand on accélère, ils se mettent à caviter à un moment donné. Ceci n'est pas gênant pour ceux qui ont été prévus pour cela.
Le gros problème est de gérer le passage d'un régime à un autre.
Cela peut se faire par le contrôle,  par des systèmes mécaniques  etc..
Cela demande encore beaucoup de recherche.
Cela demande également tout un cadre de - demandeurs – utilisateurs – besoins commerciaux – environnement -  qui n'existe pas actuellement pour le voilier.
Cela a été fait un peu pour certains bateaux de transport à moteur,  pour des eaux abritées, mais les développements ont été assez limités.
Les américains et Boeing ont développés un bateau de transport militaire porté par des foils gérés par ordinateur. Cette situation est toujours très difficile car on a du mal à bien contrôler l'incidence nécessaire et la hauteur du véhicule au-dessus de l'eau.
Certains bateaux se sont retournés brutalement : ce bateau a été nommé "le faiseur de veuves"….   Fig 12

Les recherches étant limitées actuellement, on reste dans des utilisations assez basiques sur tous ces plans porteurs.

L'hydroptère utilise des plans porteurs triangulaires, très grands, qui reprennent un peu le principe des échelles de foils montés sur les catamarans des années 50.

Les trimarans multicoques utilisent des grandes dérives inclinées ou courbes.
Cela permet d'utiliser une partie de la portance antidérive pour

  1. sustenter le bateau
  2. contrer la gîte
  3. corriger l'assiette

La même tendance apparaît sur les 60' Open monocoques pour utiliser la dérive pour l'assiette, la sustentation, la stabilité.

Le développement, la connaissance, l'apprentissage, le contrôle des foils présente un grand intérêt.
Cela demande de la recherche  afin d'avoir une plus grande connaissance des problèmes

  1. théoriques hydrodynamiques
  2. de construction
  3. d'utilisation.

Cela passe donc par un usage plus généralisé, en commençant par  des engins de plage de petite taille où beaucoup d'utilisateurs explorent beaucoup de possibilités.
C'est, du moins, l'analyse que nous avons nous-mêmes faite  : développer des engins comme Objectif 100.

Lorsque l'on connaîtra mieux les problèmes des foils,
Lorsque les utilisateurs, les fournisseurs, les constructeurs, les concepteurs créeront un tissu industriel, commercial
On pourra monter progressivement en taille.

Jean Marie Finot, 2008