Etude comparative du ratio largeur/Epaisseur d’une planche de foil

Etude comparative du ratio largeur/épaisseur d’une planche de foil

Cet exemple est une réponse au questionnement d’un shaper:

Le shaper voudrait dans un premiers temps, définir le ratio idéal d’une planche de surf foil ,et comprendre ce qui change si la planche flotte ou coule à l’arrêt, en fonction du poids du surfeur Pour aborder la question de flottabilité à l’arrêt nous allons tester 2 surfeurs de poids 80 kg et 120kg. Le surfeur de 80 kg sera toujours porté par la flottaison, alors que celui de 120 kg coulera au démarrage. Nous voyons dans cet exemple une analyse de trainée hydrodynamique d’une planche sans foil, que nous équiperons ensuite d’un foil. Nous y verrons aussi l’importance du calage du foil .

Nous allons modéliser 3 planches de longueur 1829(6’) et de volume 115 litres en variant le ratio largeur/épaisseur . Nous utiliserons une planche de base dont nous adapterons la taille, largeur et épaisseur grâce à l’outil « size config » du logiciel SWD pour décliner 3 configurations de ratio largeur/épaisseur:

 

 

 

 

 

 

ratio=4.6: 1829mm x648x141 (6' x 25,5" x 5.6").

2. ratio =2.9: 1829mm x518x176(6' x 20,4" x 6.9":

3. ratio =2 : 1829mm x408x212 (6' x 17" x 8.3") :

Les utilisateurs de SWD retrouveront les modélisations de ces exemples sur:

1. surfhydrodynamics.com/hydrodynamics_surf_exemples/test_foil_boards_115_l_ratio_4_6.fynbs
2. surfhydrodynamics.com/hydrodynamics_surf_exemples/test_foil_boards_115_l_ratio_2.9.fynbs
3. surfhydrodynamics.com/hydrodynamics_surf_exemples/test_foil_boards_115_l_ratio_2.9.fynbs

Décréter un ratio largeur/épaisseur comme idéal, implique un angle de vue. Nous observerons ce ratio au regard de l’efficacité hydrodynamique, le versant « stabilité » est un autre angle de vue à ne pas négliger:

Efficacité hydrodynamique: Sachant que l’énergie propulsive à fournir dépend de la trainée hydrodynamique de la planche, nous estimerons que la meilleur forme, sera celle qui produit la trainée minimale dans la plage de vitesses d’utilisation. En éditant une courbe de forces de trainée de 0 à 20 km/h nous observerons l’évolution de la force à produire pour propulser la planche. Cette force sera indifféremment produite par le surfeur en ramant, la pente de la vague, une voile, un moteur , ou une combinaisons de ces moyens dont l’origine n’a pas d’importance. La force de trainée devra juste être la plus faible possible pour limiter l’énergie à fournir.

Découvrons un exemple de courbe de trainée générée par SWD: L’axe horizontal montre la plage de vitesse (0 à 20 km/h), L’axe vertical de droite indique l’échelle de le trainée en Newtons correspondant aux points de la courbe noire, et l’axe vertical de gauche indique en rouge, l’échelle des angles d’incidences. L’angle d’incidence est l’angle entre le fond de planche(au wide point) et la surface de l’eau. L’évolution de cette incidence est donnée par la courbe rouge, parsemée de silhouettes. Ces silhouettes indiquent le régime: hydrostatique (deplacement hull) Planing: ou Foiling:

Approfondissons cet exemple de graphique montrant l’évolution du caractère de la planche à diverses vitesses :

• De 0 à 8 km/h la silhouette de surfeur est en « displacment Hull » ceci indique que la planche flotte, comme un bateau, et que la force dominante de portance est celle d’Archimède, c’est la portance hydrostatique décrite plus haut. Dans cette plage nous voyons la force de trainée évoluer avec le carré de la vitesse. Cette force de trainée est principalement composée de la trainée de déplacement détaillée par la courbe orange avec points carré « effective displacement Drag » Nous remarquons que la trainée atteint de 140 newtons environs en fin de phase « displacement Hul"
• De 9 à 14 km/h le surfeur passe en planing, ceci signifie que la force de planning +foil, est suffisante pour déjauger le volume immergé et glisser sur la surface du fond de planche, comme décrit plus haut dans les forces de planing. La courbe de trainée de déplacement orange, descend à zéro. La force globale de trainée est maintenant composée de la trainée du foil, la trainée de friction et de planing, qui culmine à 155 newtons à 9 km/h et décroit à 80 newtons a14 km/h. La trainée de friction augmente mais la trainée globale diminue malgré l’augmentation de vitesse Cette baisse de trainée viens de la diminution de l’angle d’incidence qu’autorise l’augmentation de vitesse. L’angle d’incidence passe de 17.2° à 10.2° dans cette plage de vitesses, et la composante de trainée de planing décroît en conséquence.
• De 15 à 20 km/h, le surfeur passe en foiling , seule subsiste la composante de trainée de foil qui devient inferieure a 40 newtons.

  Dans ce précédent graphique, les forces hydrostatiques, les forces de planning et les forces générées par le foil, se combinent. Mais pour montrer le cas d’une planche de surf classique : nous allons désactiver l’action du foil (dans l’onglet Fins/Foil Tools) et relancer l’Edition du graphique. Nous voyons maintenant la courbe de trainée sans l’action du foil:

  

  Sans foil, le planing intervient a 10 km/h, l’angle de planing évolue de 20.5° à 10.1° à 20 km/h La trainée globale ne descend pas au dessous de 125 Newtons, c’est le triple de la configuration avec foil…

  Maintenant que nous savons interpréter la courbe de trainée, analysons les 3 ratios à évaluer, en désactivant l’action du foil dans un premier temps :

  

  Comparaison et interprétations de l’évolution de la trainée pour les 3 ratios de largeur/épaisseur :

  Pour les 3 ratios, la trainée de déplacement (points losanges orange)constitue l’essentiel de la trainée globale en début de plage de vitesse. La trainée de déplacement dépend principalement du volume immergé, imposé par le poids du surfeur qui est identique pour les 3 ratios , cette trainée de déplacement augmente donc avec le carré de la vitesse de manière identique pour les 3 ratios, Ce qui change c’est le pic de trainée lorsque la planche peut passer au planing et s’affranchir de la trainée de déplacement :

  au ratio 4.6 le planing est effectif à 10 km/h, le pic de trainée est de 185 newtons, à 9km/h et dépend de la trainée de déplacement .

  au ratio 2.9 le planing est effectif à 10 km/h, mais le pic de trainée est de 260 newtons à 10 km/h et dépend de la trainée de planing qui est due a un fort angle de planing de 23.9°

  au ratio 2 le planing est effectif à 11 km/h, le pic de trainée est de 240 newtons environs.

  Le ratio largeur/épaisseur 4.6 génère un pic de trainée plus faible que les autres ratios, Ceci est principalement dû au ratio longueur/largeur qui affecte la qualité du planing, pour une vitesse identique, le ratio 4.6 génère une portance suffisante à 20.5° alors qu’il faut 23.8° au ratio 2.9. cet écart d’angle génère une trainée de planing supérieure pour le ratio 2.9. nous retrouvons le constat découlant des études et expérimentations de coques planantes de Lindsay Lord et citées plus haut.

  Continuons notre observation dans la plage du planing, la trainée globale y est principalement composée de trainée de planing et de trainée de friction (la description de ces composantes est plus haut dans le chapitre hydrodynamique) la trainée globale de la plage de planing est plus faible pour le ratio 4.6 que pour les autres ratio, on retrouve encore les conséquences du ratio longueur/largeur étudié par Lindsay Lord. Nous constatons que La trainée de friction est la seule composante qui décroît avec la diminution du ratio , mais que l’ensemble des données désignent le ratio 4.6 comme le meilleur, hydro dynamiquement parlant.

  Nous résumerons en avançant que ce n’est pas le ratio. largeur/épaisseur qui joue un rôle déterminant mais le ratio longueur/largeur. L’épaisseur ne sera donc qu’un facteur de flottabilité en fonction du poids du surfeur, mais pour ce qui est du choix des formes le shaper gagnera à analyser des ratio longueur/largeur pour déterminer les meilleurs formes.

  Le poids du surfeur était de 80 kg dans les graphiques précédents, pour répondre à la seconde partie de la question sur l’influence de la flottabilité ou non flottabilité de la planche, nous relancerons la précédente analyse , aux 3 ratios, avec un poids de surfeur de 120 kg qui fera donc couler la planche de 115 litres. :

  En début de plages de vitesse, le surfeur de 120 kg ne pourra pas être debout il devra atteindre une vitesse pour créer un apport supplémentaire de portance avec du planing. La ligne d’incidences est a 25 degrés environ et la silhouette de surfeur en position de rame indique la mention « sink », qui signifie que la portance est insuffisante, et que le surfeur est partiellement immergé. Cette plage de non flotabilité se termine lorsque l’apport de planing devient suffisant pour porter le surfeur. Pour le ratio 4.6 , la combinaison force hydrostatique+portance de planing est atteinte a partir de 3 km/h, pour les autres ratio il faudra atteindre 4 km/h. Cette phase transitoire de « water start » genere une trainée de déplacement relative au poid du surfeur jusqu’à atteindre la vitesse de planing.

  Durant cette phase, l’angle de planing s’ajuste pour completer la portance hydrostatique manquante, nous voyons ici l’angle de planing fournir 7% de la portance, en variant de 23.4° jusqu’à 6.9°, pour ensuite passer en planing complet et s’affranchir de la trainée de déplacement en augmentatnat l’angle a 23.8° et produire 100% de la portance necessaire pour porter le surfeur et sa planche.

  Le ratio 4.6 atteint le planing 100% à 11 km/h après un pic de trainée de 325 newtons

  Le ratio 2.9 atteint le planing 100% à 12 km/h après un pic de trainée de 400 newtons

  Le ratio 2 atteint le planing 100% à 13 km/h après un pic de trainée de 480 newtons. C’est, par exemple la force qu’il faudra produire en wing foil par exemple pour démarrer en water start avec ces 3 configurations (1 newton equivalent environs 10kg poids).

  La suite de la plage de vitesse montre que le ratio 4.6 restera le moins energivore, et confirmera le choix du shaper…