Plan porteur (mécanique des fluides)
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[modifier] Définitions
En mécanique des fluides, un plan porteur est une surface portante qui se déplace dans un fluide.
En hydrodynamique, un plan porteur est une surface portante qui se déplace à la surface ou dans l'eau. Cette surface peut être profilée ou non.
[modifier] Application aux navires
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.
[modifier] Principaux types de plans porteurs hydrodynamiques
- Plan porteurs de surface : patins, skis, coque planantes.
- Plans porteurs profilés et immergés (hydrofoils ou foils en anglais). Ces plans porteurs sont classés en plusieurs familles :
- . Les plans porteurs à échelle : plusieurs plans superposés.
- . Les plans porteurs 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.
- . Les plans porteurs immergés, le plus souvent en T inversé (Boeing Jetfoil, pour le transport de passagers ; Trifoiler & Windrider Rave, hydroptères de loisirs).
[modifier] Plans porteurs de surface
Patins, skis, coque planantes. Ces plans porteurs ne sont pas profilés, seule la surface inférieure participe à la portance. A développer.
[modifier] Plans porteurs en échelle
Système le plus ancien, peu utilisé. Forte traînée dûe aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs.
[modifier] Plans porteurs en V (traversants)
Dans le cas des plans porteurs en V, plus le bateau va vite, plus il monte et moins la surface immergée est importante. La vitesse compense la perte de surface, la portance reste 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 plan porteur de l'eau. Les plans porteurs 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 plan porteur étant réglée sur le niveau de la surface, le bateau suit le profil des vagues (inconfort par mer agitée).
[modifier] Plans porteurs immergés
Dans le cas des plans porteurs immergés, 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 plans porteurs à la coque ne contribuent généralement pas à la portance. Ce type de plan porteur présente un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n'est pas naturellement stable.
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 plan porteur peut arriver à l'interface air/eau. La configuration n'étant stable ni en tangage ni en roulis, le navire doit être équipé d'un système de stabilisation active (pilotée).
Pour faire varier les portances longitudinales et transversales en fonction de la vitesse, du rayon de virage demandé et du poids du bateau, les plans porteurs 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 des plans porteurs en U, en L, en T inversé, etc.
[modifier] Stabilisation active, asservissement des plans porteurs immergés
[modifier] Engins à moteurs
- Le système est piloté par des capteurs (gyroscopes, accéléromètres et capteurs de hauteur de vol); des vérins contrôlent la portance des plans porteurs.
[modifier] 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).
[modifier] Régulation de la portance
Elle peut se faire par :
- - modification de l’angle d’incidence de l’ensemble (plan porteur + « jambe »),
- - modification de l’incidence du plan porteur seul,
- - modification de la cambrure du plan porteur (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).
[modifier] Configuration portante
Dans les configurations listées ci-dessous, il est fait mention de « petite ou grande surface portante », ces surfaces peuvent être d’un seul tenant, (grande aile), ou séparées donc formées par plusieurs plans porteurs. Le fait de créer plusieurs surfaces portantes permet d’écarter les plans porteurs pour 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 plan porteur à l’arrière faisant office d’empennage
- Disposition en tandem
- surfaces identiques ou voisines à l’avant et l’arrière
[modifier] Conception des surfaces immergées
[modifier] Forme en plan
Une surface portante est caractérisée par :
- la forme du plan : rectangulaire ou trapézoidale,
- l'envergure et la corde moyenne (longueur du profil), la surface étant le produit des deux,
- l'allongement : c'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,
- pour des raisons structurelles (moments fléchissants), il faut limiter l'allongement.
[modifier] Fonctionnement général
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.
[modifier] Profil
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d'un plan porteur.
Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques.
Les types de profils les plus connus sont les NACA.
- La géométrie d'un profil est définie par les éléments suivants :
- 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
- épaisseur relative (par rapport à la corde), critère important pour la tenue en flexion de l'aile
- distribution de l’épaisseur (rayon du bord d’attaque, emplacement de l'épaisseur maximale)
- état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée (effet de la laminarité sur le coefficient de frottement).
- 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 totale du plan porteur dépend du profil et de son état de surface, mais également de la traînée induite par la portance (influence de l'allongement) et par la proximité de la surface (influence de l'immersion).
Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
- la cambrure : fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, c'est le plus important.
- l'épaisseur : conditionne la résistance du plan porteur 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 "super cavitants" (profils spéciaux à faible dépression relative à l'extrados) pour les grandes vitesses.
[modifier] Angle d’incidence
L'angle d'incidence d'un plan porteur (plan porteur 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 un plan porteur symétrique vertical, 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, environ une douzaine de degrés, il y a décollement de l'écoulement, décrochage des filets d’eau et perte de la portance.
[modifier] 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 du bateau 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°.
[modifier] Phénomènes physiques nuisibles à la portance des plans porteurs immergés
[modifier] Ventilation
La ventilation est un phénomène liée à la proximité du plan porteur avec la surface. La forte dépression sur les plans porteurs peut créer une aspiration de l'air qui va descendre le long d'un support ou du plan porteur lui même (plan porteur 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 plan porteur. Il existe pour le moment peu de données expérimentales et la modélisation de la ventilation est quasi-impossible actuellement.
[modifier] 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 la cavitation. La cavitation occasionne une chute de portance, une érosion mécanique ou chimique, des vibrations et bruits.
