Les foils ou plans porteurs

Un plan porteur ou une aile portante, (foil en anglais), est une pièce mécanique permettent de soulever un bateau hors de l'eau afin de réduire les frottements sur les coques et de permettre au bateau d'atteindre plus facilement des vitesses supérieure à celle lorsqu'il y a des frottements.
Il faut considérer un plan porteur comme étant une aile d'avion mais dont le milieu naturel serait l'eau, en effet le plan porteur fonctionne sur le même principe qu'une aile d'avion.

Principaux types de plan porteur :

On distingue plusieurs types de plans porteurs classés en deux grandes familles :
Les plans porteurs en V ou à 45° ou encore plans porteurs traversants, (ceux-la concerne l'Hydroptère). Les plans porteurs en T inversé ou plans porteurs totalement immergés (pour le transport de passagers : ferries, et hydroptères de loisirs).

Plans porteurs en V

Dans le cas des plans porteurs en V, plus le bateau va vite, plus il décolle et moins la surface immergée et la portance sont importantes. Ce qui est en soit un avantage. Pour une vitesse donnée, le bateau s'élève jusqu'à ce que la force de portance soit égale au poids soutenu par les plans porteurs.

Plans porteurs en T

Dans le cas des plans porteurs en T inversés, la partie portante est entièrement immergée.
L'avantage de cette configuration est sa capacité à isoler le bateau de l'effet des vagues. Ce type de plan porteur possède un rendement élevé mais est naturellement instable (ce qui peut en cas de grand vent déstabiliser le bateau et faire chavirer celui-ci ou l'endommager). La surface du plan porteur est identique quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol (contrairement aux foils traversants, foils en V). Ces plans porteurs ne sont donc pas auto stable et doivent être équipés d'une régulation de l'incidence (angle d'attaque des plans porteurs), afin de faire varier la force de portance en fonction de la vitesse, du poids ou des conditions de mer.

Paramètres :

Angle d'incidence

L'angle d'incidence d'un plan porteur, est l'angle que fait l'axe de l'aile avec la direction du fluide (voir schéma). Dans le cas d'un gouvernail, qui est un plan porteur symétrique vertical, lorsque celui-ci est dans l'axe du bateau l'angle d'incidence est neutre ou égal à zéro.
Plus l'angle d'incidence est important et plus la portance l'est aussi. Toutefois à partir d'un certain angle, il y a risque de décrochage d'une perte importante de la portance (décrochage : voir page sur la portance).

Angle d'incidence neutre dans le cas d'un profil symétrique comme un gouvernail, l'incidence neutre est égale à zéro puisqu'il suffit de mettre le gouvernail dans l'axe du bateau pour ne plus avoir de portance et ne plus faire pivoter le bateau. Pour un profil asymétrique, pour obtenir une portance égale à zéro, il faut mettre le plan en incidence négative, c'est cet angle qui est appelé angle d'incidence neutre.

Dispositions

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 tandem :
Plus rare, avec surfaces identiques à l'avant et l'arrière .

Profil d'un plan porteur

Le profil est la forme en coupe du plan porteur. Suite aux travaux réalisés par de nombreux ingénieurs, il existe plusieurs types de profils mais deux sont les plus souvent utilisés :
les profils NACA et Eppler.
Les principaux profils existants sont les suivants :
symétrique, asymétrique, plans porteurs avec flap (bord de fuite mobile). Un profil peut être défini par les éléments suivants :
Cp ou coefficient de portance, Cz ou coefficient de traînée, forme du bord d'attaque et du bord de fuite, épaisseur par rapport à la corde, position de l'épaisseur maximale, rugosité, qui influe sur le Cz. Le type de profil choisi va avoir une influence sur :
la portance (fonction du Cp), la traînée (fonction du Cz), l'angle d'incidence maximal ou angle de décrochage, la ventilation, la cavitation, la résistance du plan porteur et sa déformation, la position de la résultante des forces.

Ventilation

La ventilation est un phénomène complexe liée à la proximité du plan porteur avec l'interface air/eau. La dépression sur les plans porteurs (en règle générale sur les plans porteurs en V) peut créer une poche d'air qui descend le long du plan porteur et qui nuit à la portance. Le plan porteur « n'aspire » plus de l'eau mais de l'air, ceci en raison de sa plus faible densité.

Cavitation

Lorsque la charge alaire devient significative (de l'ordre de 1 tonne m²), la pression d'extrados devient négative sur une partie de la surface du foil, il y a apparition d'une bulle de vide (en fait de vapeur d'eau à la pression saturante). L'inconvénient principal de cette bulle est le risque d'instabilité de comportement qu'elle peut manifester. Les fluctuations de position du point d'accrochage se traduisent par des variations de portance, ces fluctuations peuvent à leur tour engendrer des phénomènes de flutter. Pour les navires hydrofoils à foils complètement immergés ces fluctuations peuvent rendre instable le pilotage. C'est pour cela qu'à très grande vitesse les architectes préfèrent utiliser des profils supercavitants dont la finesse est moins bonne mais qui sont à l'abri des phénomènes de fluctuations cités. Ces profils sont utilisés classiquement pour les hélices de hors-bords rapides et autres ocean-racers.

Les fences

Les fences placés sur les foils traversant (foils principaux et safran vertical) ont pour but de bloquer le phénomène de ventilation. Pour le safran, dans la mesure où le bateau n'est jamais parfaitement équilibré le safran doit générer une portance, d'où là aussi un risque de ventilation.
Les fences sont de petites ailes placées approximativement dans le sens de l'écoulement le long du profil du foil qu'ils protègent de la ventilation (voir schéma en bas de cette page). En fait ils ne sont jamais parfaitement dans le lit de l'écoulement et ils génèrent donc une portance, c'est-à-dire une surpression d'un côté et une dépression de l'autre. C'est la surpression qui nous intéresse :
elle annule très localement la dépression qui court tout au long de l'envergure du foil à protéger. La veine d'air de ventilation est arrêtée par cette surpression qui vient contrer, localement, la dépression générale qui court le long de l'envergure.
Tant qu'à faire, il faut les placer de telle sorte qu'ils soient légèrement porteurs, ils contribuent ainsi à la fonction générale de portance du foil. On en place plusieurs car l'immersion du foil n'est pas constante, l'immersion moyenne dépend de la vitesse et de l'allure, l'immersion instantanée du passage de la houle.

Schéma des Fences et de leur fonctionnements.

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