L`aérodynamique appliquée au voilier.

Cercle de la Voile de Montluçon
1 CVM 2013
Aérodynamique
I/Rappel de mécanique des fluides
Le voilier est placé à la surface de 2 fluides de densité bien différentes: l'air et l'eau.
C'est le glissement de ces deux fluides l'un sur l'autre qui donne le mouvement au bateau.
1/Notion de fluides rencontrant un plan
Qu'est-ce qu'un fluide?
Les fluides, et notamment l'air, sont composés de molécules. Elles possèdent entre elles
une force attractive qui les rattache. Leur comportement est collectif.
Les fluides se déplacent selon des lignes de courant et ils remplissent les vides. En
l'absence de tout obstacle, les fluides s'écoulent librement, les filets sont parallèles.
Rencontre avec un plan Lors de la rencontre avec un plan, les molécules se dévient de
leur route initiale et les filets ne sont donc plus horizontaux.
2/Description des écoulements
Nous avons, en fait, deux types d'écoulement : laminaire et turbulent
L'écoulement est turbulent si la plaque est
en travers du vent.
L'écoulement est laminaire si la plaque est
dans l'axe du vent ou pas plus inclinée
que 30° par rapport à cet axe (les filets
d'air ne se décrochent pas).
3/Effet venturi
Aux vitesses qui nous préoccupent,
relativement faibles, l'air est
incompressible. Aussi lorsqu'un fluide
s'écoule entre deux objets, les objets
étant intraversables, il se forme un
étranglement. Le volume d'étranglement
devant rester constant par rapport au
flux général, il se produit une
accélération du fluide. Cette accélération
se fait sentir en amont de l'étranglement
et se prolonge en aval.

Aérodynamique
II/La force aérodynamique (F.A.)
1/Existence et création de cette force
La force aérodynamique, aussi appelée poussée vélique, est la
résultante de toutes les forces appliquées par le vent apparent sur
les voiles. La force aérodynamique n'existe que s'il y a action de l'air
sur la voile.
La force aérodynamique est due aussi bien à une pression exercée par le vent dans la
voile que par une dépression due au profil de la voile.
La plaque d'inertie matérialise une zone
virtuelle où à partir d'un certain moment les
filets d'air ne sont plus déviés. La force
aérodynamique se décompose donc en :
- 2/3 de la force due à la dépression sur
l'extrados de la voile,
- 1/3 de la force due à la pression exercée
sur l'intrados de la voile par le vent.
Explication pratique : profil d'une aile
d'avion, expérience de la cuillère, feuilles sur
lesquelles on souffle
2/Point d'application
La force aérodynamique s'exerce sur le centre géométrique de l'ensemble des voiles. En
général, la force qu'exerce un courant fluide est sensiblement perpendiculaire à ce plan,
quelque soit l'angle d'incidence du courant sur ce plan.
Cette façon de dessiner
n'est qu'une
matérialisation visuelle
de la force
aérodynamique.
En effet, la force
s'exerce, en réalité,
partout sur la voile.
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Aérodynamique
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3/Angle d'incidence voile/vent (notion du rendement optimal d'une voile)
- Corde du profil : segment de droite reliant le b
d'attaque et le bord de fuite. ord
ormé entre la
bateau (VB) : angle formé entre la corde du
- Angle voile vent (VV) : angle d'incidence f
corde du profil et le vent apparent.
- Angle voile
profil et l'axe de l'engin.
'existe que
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nt est
La force aérodynamique n
s'il existe un angle d'incidence vo
non nul.
Le rendement optimal en n
est atteint lorsque cet angle vaut envi
15° (dans ce cas, l'écoulement es
laminaire).
Cette valeur est dépendante d
de la voile et du réglage du creux
angle est, en général, respec
allures de près, travers, largue, ma
en vent arrière.
En fait, la qualité de l'
nce la valeur de la fo
aérodynamique (sa grandeur est
différente suivant l'angle d'incid
Au vent arrière, l'écouleme
turbulent.
4/Décomposition de la force aérodynamique par rapport au fluide
Traînée et portance :
L'existence de la traînée est due au frottement provoqué
par l'
a polaire d'une voile : Pour chaque angle d'incidence,
porta
e cet
t
écoulement de l'air sur la voile. Ce frottement est un
phénomène qui participe aux résistances à l'avancement.
L
nce et traînée varient modifiant la grandeur de la force
aérodynamique. La qualité des écoulements ayant une
influence sur la force aérodynamique, suivant la valeur d
angle, la grandeur de la force aérodynamique sera différente.
La courbe polaire montre les variations de la grandeur de la
force aérodynamique en fonction de l'angle d'incidence : c'es
une courbe de rendement de la voile suivant l'angle
d'incidence.

Aérodynamique
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5/Décomposition de la force aérodynamique par rapport au déplacement du bateau
Composante propulsive, composante de dérive :
6/Réglages de la voile (repères du pratiquant)
Le meilleur réglage possible est obtenu lorsque l'angle voile-vent est optimal (15°) et que
la force aérodynamique est orientée le plus possible vers l'avant.
Repères de réussite :
- Si on ouvre légèrement la voile, le guindant se met à fasseyer, - les pennons doivent
être horizontaux (si le penon au vent - intrados - décroche, c'est que l'angle voile/vent
est trop petit, la voile n'est donc pas assez bordée).
- Respect de la condition de Kutta.

Aérodynamique
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III/Éléments issus du milieu qui déterminent la force aérodynamique
pour un angle voile-vent donné
1/Les variations du vent réel.
Le vent n'est jamais régulier en force et en
direction. Les variations vont donc avoir une incidence
sur la valeur de la force aérodynamique car elles vont
modifier à la fois la valeur et l'orientation du vent
apparent.
Le vent créant la force aérodynamique est le vent
apparent (V.A.) : c'est la combinaison du vent vitesse
(V.V) et du vent réel (V.R).
Si le Si le vent réel diminue brusquement, on est
alors obliger de border (fermer) un peu la voile pour
conserver le même angle d'incidence.
2/La mer
Ce qui nous intéresse, c'est la surface de la mer
(Cf termes utilisés dans l'échelle de Beaufort).
Si on rencontre une vague, le vent vitesse va
diminuer et on choque (ouvre) la voile.
Inversement, lors d'un départ au "surf", on bordera
la voile, le vent vitesse ayant brusquement augmenté...