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| HYDROFOILS | ||
| QUESTIONS OU COMMENTAIRES | ||
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AUTHOR: | Tina Rosado |
| E-MAIL: | [email protected] | |
| COURSE : | 2 | |
| CLASSE/AN: | 2 | |
EXIGENCE FONCTIONNELLE PRINCIPALE : Soulever la coque des bateaux hors de l’eau.
PARAMÈTRE DE CONCEPTION : Hydrofoil(C’est un foil ou une aile sous l’eau utilisé pour soulever la coque des bateaux jusqu’à ce qu’elle soit totalement hors de l’eau.)
GEOMETRIE/STRUCTURE:
Détail de la géométrie de l’hydroptère
EXPLICATION DE SON FONCTIONNEMENT/DE SON UTILISATION:
1. A faible vitesse, la coque (corps du navire) se trouve dans l’eau et les hydrofoils sonttotalement immergés dans l’eau.
2. Au fur et à mesure que la vitesse des bateaux augmente, les hydrofoils créent une portance.
3. A une certaine vitesse, la portance produite par les hydrofoils est égale à la somme des poids du bateau et de la cargaison. Par conséquent, la coque sort de l’eau.
4. Au lieu d’avoir une augmentation de la traînée avec l’augmentation de la vitesse parce que la coque est soulevée hors de l’eau (contrairement à ce qui se passe dans les bateaux traditionnels en raison de la traînée de pression), les hydrofoils fournissent une façon plus efficace de naviguer. La diminution de la traînée contribue à une meilleure utilisation de la puissance nécessaire au mouvement du bateau.
Physique dominante:
Comment la portance est produite – Dynamique des fluides.
Pour les besoins de ce projet, deux explications seront présentées de manière générale et basique. Ces théories sont l’application de l’équation de Bernoullis et l’équation d’Eulers pour l’effet de courbure des lignes de courant.
Équation de Bernoullis : Po = P1 + ½
rv1² + rgy1 = P2 + ½rv2² + rgy2
| Variables | Unités |
| Po. Pression de stagnation | ou |
| P Pression | ou |
| r Densité | ou |
| V Vitesse | ou |
| g Constante gravitationnelle | ou |
| y Hauteur | ou |
Détail de l’hydroptère : a) Profil de pression b) Transfert de quantité de mouvement c) Circulation d) Lignes de courant
Cette équation s’applique aux écoulements le long d’une ligne de courant qui peuvent être modélisés comme : inviscides, incompressibles, stables, irrotationnels et pour lesquels les forces du corps sont conservatrices. De plus, la différence de hauteur de la feuille (la distance entre la section inférieure et la section supérieure) est suffisamment faible pour que la différence rgy2 – rgy1 soit négligeable par rapport à la différence du reste des termes. Ce qui reste, c’est que la pression plus la moitié de la densité multipliée par la vitesse au carré est égale à une constante (la pression de stagnation).
A mesure que la vitesse le long de ces lignes de courant augmente, la pression diminue (cela deviendra important sous peu). Le fluide qui se déplace sur la surface supérieure de la feuille se déplace plus rapidement que le fluide sur le fond. Afin de conserver le moment angulaire causé par la rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre des vortex, il doit y avoir un échange de moment égal mais opposé au vortex au bord de fuite de la feuille. Cela conduit à la circulation du fluide autour de la feuille. La somme vectorielle des vitesses donne une vitesse plus élevée sur la surface supérieure et une vitesse plus faible sur la surface inférieure. En appliquant cela à Bernoullis, on observe que, lorsque la feuille coupe le fluide, le changement de vitesse produit la chute de pression nécessaire à la portance. Comme il est présenté dans le diagramme, la force résultante ou nette (force= (pression)(surface)) est ascendante. Cette explication peut être enrichie par le principe de conservation de la quantité de mouvement (quantité de mouvement = (masse) (vitesse)). Si la vitesse d’une particule avec une quantité de mouvement initiale est augmentée, il y a une quantité de mouvement réactive égale en magnitude et opposée en direction à la différence des quantités de mouvement. (Voir schéma).(Mi = Mf + DM)
Équation d’Eulers : d(p+rgy)/dn = rv²/R
| Variables | Unités |
| P Pression | ou |
| r Densité | ou |
| V Vélocité | ou |
| g Constante gravitationnelle | ou |
| y Hauteur | ou |
| n Vecteur dans la direction radiale | -.– |
| R Rayon de courbure de la ligne de courant | ou |
Détail de la pression aux points au-dessus d’un profil d’aile
Ici encore, le terme se référant à la hauteur est supposé négligeable par rapport aux autres termes de l’équation. Cette équation dit que plus on s’éloigne du centre du rayon de courbure d’une ligne de courant, plus la pression sur les lignes de courant augmente. La surface supérieure de la feuille étant plus proche du centre de courbure des lignes de courant, la pression sera inférieure à la pression ambiante au-dessus de la feuille. La différence entre la pression sur la surface supérieure et la pression ambiante à la surface inférieure produira une pression nette qui causera la levée.(Seediagram.)
Angle d’attaque :
Angle d’attaque
Comme il a été présenté, la portance provient de la dynamique du fluide dans les zones entourant le foil. Mais la portance peut être optimisée en positionnant l’hydrofoil à un angle (par rapport au flux de fluide entrant) appelé angle d’attaque (Voir schéma). L’objectif est d’optimiser le rapport entre la portance et la traînée. Ce rapport dépend de la forme du foil, qui dans ce cas est considéré comme un foil fin. Avec un petit angle d’attaque, la portance augmente rapidement tandis que la traînée augmente à un faible taux. Après un angle de ~10°, la portance augmente lentement jusqu’à ~15° où elle atteint un maximum. Après ~15°, le décrochage peut s’installer. Lorsque l’angle d’attaque est de 3° à 4°, le rapport entre la portance et la traînée est à son maximum.Donc le foil est plus efficace à ces angles (3°et 4°) avec des rapports portance:traînée de ~ 20 à 25:1
LIMITATION DE LA PHYSIQUE:
Détail de la géométrie de l’hydrofoil
Au début, les gens peuvent penser que le décrochage est susceptible d’être un problème dans les hydrofoils comme il l’est dans les aérofoils, mais étonnamment ce n’est pas le cas. Un angle d’attaque prononcé n’est pas nécessaire dans la conception de l’hydroptère. Au contraire, de petits angles d’attaque sont utilisés sur les hydrofoils pouroptimiser le rapport portance/traînée comme expliqué précédemment.
Ce qui est primordial, c’est la conception du foil, des jambes/supports, et leur positionnement. Toutes ces caractéristiques doivent être prises en considération. Ainsi, les caractéristiques sont conçues pour produire une vitesse minimale permettant de soulever le bateau d’un certain poids et de le maintenir en foil.
Un problème qu’un bateau à foils peut rencontrer est la hauteur des vagues étant plus grande que les jambes de force. De plus, si l’embarcation se déplace plus vite que les vagues, les foils peuvent se briser à la surface et hors de l’eau, ce qui entraîne une perte de portance et un angle d’attaque négatif lorsque le foil plonge dans la vague suivante, faisant s’écraser l’embarcation dans la mer. Les ingénieurs ont conçu des hydrofoils pour minimiser ces limites et améliorer les performances des navires.
PLOTS/GRAPPES/TABLES:
Non soumis
Les hydrofoils et leur utilisation:
Les hydrofoils sont devenus très populaires. Ils sont utilisés dans divers types de voyages en mer, de l’usage militaire aux sports nautiques. La grande vitesse, la croisière en douceur et les meilleurs virages fournis par les hydrofoils ont été utilisés dans les navires militaires. La voile a également adopté les hydroptères pour gagner en vitesse. Ils permettent de nouvelles inventions qui peuvent satisfaire le désir des gens de défier le danger, comme le sky ski. Il s’agit d’un ski nautique auquel est fixé un hydroptère qui permet aux gens de voler au-dessus de la surface de l’eau. Chaque jour, de plus en plus d’hydroptères sont utilisés, et dans le futur, ils pourraient être la méthode dominante de déplacement en mer.
REFÉRENCES/PLUS D’INFORMATIONS:
Voir aussi sur ce site : Airfoil, Sailboats
Alexander, Alan, James Grogono, et Donald Nigg ; Hydrofoil Sailing. JuanitaKalerghi : Londres, 1972.
Bertin, John et Michael Smith ; Aerodynamics for Engineers, Third Ediotion.Prentice Hall : New Jersey, 1998.
Hook, Cristopher et A.C. Kermode ; Hydrofoils. Pitman Paperbags : Londres, 1967.
La page Web de la Société internationale des hydroptères:http://www.erols.com/foiler/index.html
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