Interaction foil planche : Etude de l’action du foil sur la plage de
vitesse precedent le foiling
Les exemples de planches du chapitre précédents étaient des
exemples basées sur une étude de ratio largeur/épaisseur et de flottabilité
donnée, nous recentrerons notre attention sur l’influence de l’interaction du
foil et utiliserons la notion de ratio longueur/largeur que nous avons défini
comme plus significative en termes de performances de planing. Nous partirons
aussi sur un modèle de planche ayant été réellement construite, (Wood kit tool ShaperWaveDynamics)
Nous allons tester cette planche avec un surfer de 70 Kg et
observer l’interaction du foil. L’étude de l’interaction du foil nous impose d’être
plus précis dans la description de la configuration. Commençons donc par décrire
le foil utilisé et son implantation :
Ce schéma d’implantation (ci-dessus, ShaperWavesDynamics
foil tool) montre le foil qui a été sélectionné pour ce test. De part son implantation, le foil impose la position du surfer
sur la planche en phase de foiling : Le surfeur devra aligner son centre
de gravité avec le centre de portance global du foil pour ne pas générer de moment
de pitch et ainsi assurer l’équilibre horizontal de la planche. Sur ce schéma,
l’angle de pitch désigne l’angle entre le fond de planche (au wide point) et la
corde du profil de foil a son centre, cet angle ne varie pas, il est fixé par
le calage de la platine du mat à la planche. Le « flow attack » désigne
l’angle entre le fond de planche et la surface de l’eau. L’angle « Attack »
des profils de foil indique l’angle entre la corde de profil et le flux
relatif. Dans ce schéma et ceux qui suivront, les forces sont montrées pour une
vitesse donnée(ici 5m/s), et l’angle Flow attack est ajusté pour générer une
portance globale égale au poids surfeur + planche. Les flèches roses montrent
les forces qui se cumulent pour donner une résultante de portance et trainée
globale, la flèche noir est le vecteur poids. Le désalignement des vecteurs portance
globale poids, génère du couple de pitch.
Profitons de cette description pour rappeler que le
stabilisateur a pour effet de déplacer le centre de portance global suivant la
force qu’il génère : Dans le schéma ci-dessus, le moment de pitch est nul,
ceci signifie que le centre de gravité du surfeur et le centre global de
gravité sont alignés , mais si je modifie l’angle de calage « pitch »
du stabilisateur qui était à -5, et que je le passe à zéro, le centre de
portance global va être modifié ainsi que le moment de pitch:
Une fonction du logiciel SWD permet d’actualiser
l’angle d’attaque en fonction du nouveau calage, et d’aligner le poids du
surfeur(flèche noir) sur le centre de portance globale pour trouver la position
d’équilibre , nous l’utilisons pour montrer nouvel équilibre (pitch
moment=0) :Le surfeur est passé de la position 516 mm a 444mm du tail pur
rétablir l’équilibre. Nous voyons donc que le calage du stabilisateur modifie
(entre autres choses) la position longitudinale d’équilibre du surfeur. Nous conserverons
cette configuration pour éditer nos courbes de performances de la planche et du
foil. J’entend les experts s’écrier qu’un pitch de 8°
c’est n’importe quoi, mais je leur demande un peu d’indulgence pour cet exemple
de démarche d’optimisation partant de loin…
Notons ici que le mat et le fuselage ne sont pas intégrés
dans le cumul des forces.ci dessus.Le calcul de la
trainée du mat dépend largement de sa surface immergée, nous pourrons évaluer très
simplement la trainée du mat que nous insérons dans le projet comme un aileron ,
et utiliser l’éditeur d’ailerons du logiciel SWD pour afficher sa trainée a une
vitesse donnée:
L’éditeur d’ailerons nous indique par exemple ici que le mat
implanté génère 8 newtons de trainée a 5m/s. La profondeur immergée de mat étant
variable, nous ne tiendrons compte dans notre étude de performances de planche
que des parties portantes du foil et négligerons donc la trainée du mat (et du
fuselage), que nous pourrions ajouter ultérieurement si cela nous est utile.
Editons une première courbe de performance pour notre ensemble
foil + planche avec un surfer de 70kg et un poids de planche (Wood kit) de 7.1kg :
Et voyons comment utiliser cet outil d’analyse de
performances pour améliorer notre configuration de foil,
Pour commencer, il est important de savoir a quelle vitesse nous désirons décoller, ici le décollage est a 14 km/h , sachant qu’une vitesse de surf de vague
de 1m est entre 15 20 km/h nous estimerons que tout va bien pour un surf foil. Une
plus grande envergure doit être sélectionnée pour un projet de vol a basse vitesse de type pumping par exemple…
Ensuite évaluons le pic de trainée (220 newtons) : S’il
est généré par le déplacement avant planing, nous ne pourrons le diminuer qu’en
modifiant l’outline de notre planche afin de générer du planing a plus basse
vitesse. Mais nous remarquons que le pic est généré principalement par de la
trainée de foil. Un autre indice doit attirer notre attention dans la phase
avent le planing :
T
L’angle d’incidence en phase
transitoire hydrostatique + planing est négatif, c’est symptomatique d’une
mauvaise configuration de calage de foil qui n’est pas en adéquation avec l’angle
de planing de la planche. Nous allons sans plus tarder modifier les angles de
calage du foil dans l’outil de configuration du foil :
Pour simuler un calage global du foil différent, nous modifions (dans l’outil foils de SWD) le calage de l’aile principale et du stabilisateur de la même valeur :
Nous allons utiliser une fonction de l’outil foil qui
propose de régler le pitch des ailes du foil pour procurer la meilleur finesse
(lift/drag) lorsque l’angle de flux est paralelle au fond de planche. C’est une
bonne hypothèses de départ Le nouveau pitch étant réglé, nous repositionnons
notre surfeur pour équilibrer le moment de pitch à zéro(sa position était a 444 mm du tail elle passe à 497mm)
Et nous relançons le test de performances avec cette
nouvelle configuration :
Ce nouveau calage de foil diminue le pic de trainée, qui est
passé de 220 à 190 newtons. Nous allons dans le bon sens, mais les angles
négatifs en phase transitoire, et la trainée de foil au début de planing
restent suspectes. Réduisons encore nos angle de calage pitch pour appliquer un
pitch de zéro à l’aile principale
Et relançons notre test de performances :
Ce calage de foil a zéro, diminue
encore le pic de trainée, qui est passé de 190 à 160 newtons. Nous progressons,
les angles en phase transitoire, sont positifs, mais la trainée de foil au
début de planing reste encore supérieure à la trainée de planing, ceci révèle
une optimisation encore possible. Réduisons encore nos angle de calage pitch pour
appliquer un pitch de -5° à l’aile principale , sans oublier de replacer
notre surfeur(centre de gravité): en position d’équilibre qui sera désormais à
620 mm du tail :
Et relançons notre test de performances de trainée :
Notre pic de trainée à 140 newtons est composé pour moitié
de trainée de planing et autre moitié de trainée de foil, nous pouvons estimer
que c’est un très bon compromis au niveau de la trainée: Nous pouvons dire
que notre calage de foil est satisfaisant.
Nous allons maintenant ajouter une nouvelle information dans
notre graphique : La position d’équilibre du surfeur au diverses vitesses :
(courbe avec losanges orange) :
Nous constatons que pour conserver l’équilibre, le surfeur
devra déplacer son centre de gravité de 0.48,à0.38 .Pour infos, 0.5 signifie le
centre de planche , 0 est au tail et 1 sur le nose). Nous pouvons imaginer que
le surfeur peut gagner en confort si sa positions ne varie pas lors du
décollage, ceci traduirait un accords parfait et une maitrise des équilibres
prévue par le shaper. Nous allons donc avancer légèrement le foil de la moitié
de ce déplacement du surfer : 0.1*longueur de planche(1500mm)/2=75mm, pour
éviter cet inconfort révélant un mauvais positionnement longitudinal du foil. :
Et nous actualisons notre courbes de performances avec
positions d’équilibres : Voilà une position plus régulière et confortable :
L’outil d’éditions de performances est donc un outil utile
au shaper, il ne remplacera jamais l’intuition et l’expérience, mais il
participe à alimenter la vision du shaper en argument quantifiés, qu’il peut
comparer et tester les jours ou la météo viennent
l’empêcher de glisser: