Pour commencer, en mécanique des fluides, un foil ou un hydrofoil est une aile profilée qui se déplace dans l’eau. Ensuite, elle transmet une force de portance à son support. Comment ça marche ? Puis, la vitesse de déplacement génère sur le foil une portance hydrodynamique. Elle est capable de soulever la coques du bateau, le kite, le stand up paddle, le surf ou la planche de windsurf partiellement ou totalement hors de l’eau. Enfin, le but de ce transfert de portance est de réduire le frottement et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse.
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Les foils sont classés en deux familles principales
– Les hydrofoil à surface variable, traversant la surface : Foils à échelle, plusieurs plans superposés. Système le plus ancien qui n’est plus utilisé à cause de la complexité de construction et la forte traînée due aux nombreuses interactions entre les montants et les plans porteurs. Et foils en oblique ou en V, montés sur les hydroptères de première génération, suisses, italiens et russes (navire à grande vitesse), voilier L’Hydroptère.
– Les foils à surface fixe immergés, le plus souvent en T inversé comme on a sous nos planches.
Dans le cas des hydrofoil à surface fixe immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée sous l’eau. L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler la planche de l’effet des vagues et du frottement sur l’eau. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la planche ne contribuent généralement pas à la portance. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n’est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D’autre part la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol. Enfin, sans système de régulation, rien ne stabilise la profondeur d’immersion : le foil peut arriver à l’interface air/eau.
Profil
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d’une aile portante. Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques (coefficients de portance, traînée, moment en tangage). Les profils les plus connus (NACA) sont classés géométriquement par familles (distribution d’épaisseur, cambrure, épaisseur). La géométrie d’un profil est définie par les éléments suivants :
– La cambrure (rapport flèche de la ligne moyenne/corde) :
– l’épaisseur relative (par rapport à la corde), critère important pour la tenue en flexion de l’aile,
– la distribution de l’épaisseur (rayon du bord d’attaque, emplacement de l’épaisseur maximale).
Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
– la cambrure, elle est fonction du coefficient de portance (Cz) demandé, c’est le critère le plus important.
– l’épaisseur, elle conditionne la résistance en flexion de l’aile et la déformation sous charge (en fonction de la portée).
– la vitesse, distribution de l’épaisseur et des pressions dynamiques pour éviter la cavitation. Il existe des profils dits « cavitants ou super cavitants » (profils spéciaux à faible dépression relative à l’extrados) pour les grandes vitesses.
Coefficients hydrodynamiques
Tout dabord, le Cz ou coefficient de portance, dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Ensuite, sa valeur fréquente : 0,4 à 0,7 à la vitesse de croisière.
la portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide.
Le Cx ou coefficient de traînée du foil, dépend de :
– du profil et de son état de surface. La rugosité de surface influe sur le coefficient de traînée de frottement.
– de la traînée induite par la portance.
– de la proximité de la surface.
Angle d’incidence
L’angle d’incidence d’un hydrofoil (surface portante ou gouverne) 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). Ensuite, l’angle d’incidence d’un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, 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).
Pour terminer, la portance augmente avec l’incidence (pente de portance). À partir d’un certain angle, dont la valeur varie beaucoup en fonction du profil et de l’allongement de la surface portante, il y a décollement de l’écoulement, décrochage des filets d’eau et perte de la portance.
