Ce premier didacticiel d' initiation permet de prendre en mains le logiciel HELICIEL pour la conception d'une aile simple. Les options de forçage d'incidence, de vrillage, ou de distribution de l'épaisseur sont approfondies dans le second didacticiel "construire aile ou foil ( approfondissement)".

Une page traitant de généralités sur les ailes peut être consulté pour revoir les principes fondamentaux a connaître pour la conception des ailes. Ailes ,hydrofoils, voiles.

La méthode de calcul utilisée par héliciel pour le calcul des performances des ailes utilise la théorie de la ligne portante de Prandtl. Il est tout a fait possible de concevoir votre aile sans maîtriser les fondements mathématiques de cette méthode (c'est même la raison d'etre d'héliciel) mais les notions de vitesses et d' angles induits introduites dans cette méthode sont utiles pour mieux comprendre les résultats données par héliciel. Cette méthode est détaillée sur la page: théorie de la ligne portante.

 

Que l'on désire construire une aile ou un hydro foil la méthode sera semblable. Dans ce didacticiel nous allons construire et modéliser un hydro foil ou une aile sans faire de distinction. Le problème de la cavitation qui est particulier aux hydro foils sera abordé sur la page cavitation.

Nous allons maintenant voir comment procéder avec HELICIEL pour dimensionner, tester, et éditer les plans de notre aile ou hydro foil.

Pour commencer nous ouvrons un modèle hydro foil (ou aile) dans héliciel:

Pour ce premier didacticiel d' initiation, nous allons utiliser la loi de profil la plus simple:

• Dans l' onglet2: Géométrie de pale>2.2Loi de profils sélectionnez: A)Loi de profil constant.

Quel est l' objectif, le cahier des charges de notre aile ou foil?

Nous allons prendre pour exemple un projet de véhicule a propulsion humaine, un bateau propulsé par pedalage qui volera dans l'eau.Si cela vous parait farfelu, je vous invite a visiter le site human powered, pour vous rendre compte du nombre de projets de ce type déjà réalisés.

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Pour faire simple nous dirons que la puissance de propulsion disponible est de 250 watts (c'est ce que peut fournir a rythme constant un adulte consentant) et que le poids du véhicule et de son pilote est 100 Kg. Nous dirons que la force a soulever est égale au poids soit environ 1000 Newtons.

Nous devons donc fabriquer une aile hydro foil qui génerera une portance de 1000 Newtons avec une puissance de propulsion de 250 W.

L' objectif est d' aller le plus vite possible avec cette puissance de 250 W.

Nous allons procéder par essais successifs de longueur et de formes pour rechercher le meilleur compromis.

Héliciel permet le calcul de la traînée et de la portance d'une demi aile. Cela est pratique pour calculer des ailes ou foils fixés sur une coque ou un fuselage car seules les pertes de bout d'aile du coté libre seront calculées. Si l'on désire calculer les performances d'une aile complète symétrique libre il nous suffit de multiplier les résultats pour une demi aile par 2.

Nous allons supposer que nous avons retenus comme solution technique une aile symétrique immergée. Nous laisserons de coté la liaisons a la coque qui accueil le pilote, pour nous concentrer uniquement sur l'aile hydro foil qui génère la portance.

Nous allons commencer avec une aile de 1 mètre d' envergure (longueur totale). Comme nous calculons et modelisons une demi aile, notre longueur de demi foil ou aile sera de 0.5 mètres

2 inconnues principales nous occupent:

1. La vitesse nécessaire pour créer la portance de 1000N (500 N pour une demi aile)
2. La puissance nécessaire pour produire cette portance a cette vitesse

Nous allons voir comme il est simple d'avoir ces résultats:

1. Dans l' onglet "1.1Fluide": Vérifiez le fluide(eau de mer 10°)
2. Dans l' onglet "1.2Objectif": Vérifiez que la sélection est bien "Ailes et Foils"
3. Dans l' onglet "1.3Point de fonctionnement": Entrez une vitesse par exemple 5m/sec
4. Dans l' onglet "2.1Dimensions pale":
• Entrez la longueur demi aile ou foil : 500 millimètres
• Entrez la corde au pied de pale(aile ou foil): exemple 200
• Entrez la corde en bout de pale: exemple 100
• Cliquez sur linéariser dans la distribution de corde (pensez a linéariser apres chaque modification des cotes ou du nombre d'éléments!).
• Constatez que les épaisseurs de votre foil sont déterminées par la corde suivant l'épaisseur relative car vous avez sélectionné loi de profil constant dans l' onglet 2.2



Voila notre demi aile ou foil est près a être testée, pour cela il suffit de cliquer sur le bouton "reconstruire" dans la barre d' outils horizontale en haut à droite du logiciel:

Que fait héliciel lorsque l'on reconstruit ?:

• Héliciel va chercher dans la base de données des performances du profils sélectionné, l'angle d'incidence procurant la finesse maximum.
• Le modèle 3D est construit avec cette incidence a finesse maximum
• La traînée, portance,puissance,résistance,et autres résultats sont calculés en tenant compte du phénomène de downwash (vitesses induites générées par la portance)

Votre foil devrait ressembler a ceci (les particules on été activées depuis le menu du modèle 3D)

Zoomons sur le résultat qui nous intéresse:

Nous constatons que la portance est de 421.8 N pour une puissance de 69.76 Watts.(Traînée totale X vitesse = puissance de propulsion a fournir)

Pour une aile symétrique complète les résultats de cette demi aile ou hydrofoil doivent être multipliés par 2:

Portance aile complète= 421X2=842.

puissance propulsion aile complète=70X2=140 Watts

Nous devons soulever 500 N par demi aile, nous allons donc tenter de trouver la vitesse qui nous donne 500 N de portance.

Pour nous éviter de multiples test, nous allons utiliser l' "analyse multiple", cette fonction (dispo depuis la version 9.0.0.23 d' octobre 2011) nous permet d' éditer un courbe de portance et/ou de puissance en fonction de la vitesse. L' analyse multiple peut être lancée depuis l' onglet 3:Optimiser, ou en passant par le menu Édition du logiciel. Voici le résultat d'une analyse de plage de vitesse de 5 a 10 m/sec:



La courbe de puissance atteint 125 w a 6.5 m/sec environ, et a cette vitesse nous lisons sur la courbe de portance 610 newtons environ. Nous appliquons donc la vitesse de 6.5 m/sec pour l' instant.

Nous constatons que nous avons un surplus de portance inutile. Nous pourrions réduire la largeur de notre aile ou foil pour augmenter son allongement et ainsi diminuer les pertes de bout d'aile. Ceci nous fera gagner de la matière de poids et de la finesse (rapport traînée/portance), donc de l'énergie disponible pour augmenter la vitesse.

Dans l' onglet "2:Géométrie>2.1Dimensions pale" nous allons affiner le bout de notre aile (pale ou foil) en passant de 100 mm à 50 et le pied de l'aile ou de la pale passe de 200 à 150. n' oubliez pas de linéariser pour actualiser la forme avec les nouvelles données:



Reconstruisons pour actualiser la nouvelle géométrie et les performances a 6.5 m/sec:

 

Nous constatons que la diminution de la largeur de pale à fait diminuer la puissance nécessaire mais les alarmes de rupture nous indiquent que la pale risque de rompre au pied .Cliquez sur l' onglet résistance dans la zone des résultats pour afficher les flexions et leurs limites pour chaque élément de la pale ou du foil.

Nous allons en profiter pour parametrer la matière de notre hydrofoil (Carbone époxy) :

Sous l' onglet 2:Géométrie pale > Options avancées géométrie > Armature éléments, cliquez sur choisir matière:

Dans l' éditeur de matière sélectionnez "laminé unidirectionnel carbone époxy" et cliquez sur "utiliser cette matière pour l' armature de tous les éléments"

La résistance de notre foil aile ou pale est actualisée et nous voyons dans le graphique de résistance que les flexions sont maintenant inférieurs aux flexions max.L'alerte de rupture a disparue:

Ce problème de rupture étant résolu nous allons continuer a optimiser notre hydro foil ou aile, et rechercher la vitesse max que nous arrivons a atteindre en générant une portance de 1000 N avec une puissance de 250 W.

Pour cela lançons une analyse multiple (onglet3:Optimiser, cliquer sur le bouton analyse multiple):

 

Notre diminution de largeur diminue la puissance a fournir et l' objectif de portance pour notre demi aile(1000N/2=500N) est atteint à 7.5 m/sec environ. La puissance limite dont nous disposons pour une demi aile (250/2=125W) est atteinte a 8.3 m/sec environ..

Héliciel applique au foil les angles de performances optimum à chaque reconstruction, nous modifierons ainsi les largeurs et longueur de pale jusqu'à ce que notre portance avoisine les 500 N et notre puissance les 125 W a la vitesse la plus élevée possible:

Au bout de quelques essais et modifications de géométrie et de vitesses un super foil optimisé est obtenu: une vitesse de 9.4m/secondes pour un demi foil de 438 mm soit 876 mm d' envergure totale, largeur au pied de 82 mm et bout de pale de 10mm. ce qui nous donne un allongement de 19:

Les performances de notre demi hydro foil aile sont :

Le plan des profils et de la pale peut être édité, et le modèle 3D IGS peut être exporté

Dans ce didacticiel d' initiation, nous n' avons pas utilisé le contrôle de l' incidence, ni de l'épaisseur de l'aile car ceci fait l' objet d'un second didacticiel d' approfondissement.

Ce didacticiel ne tient pas compte du fait qu 'avec une puissance de 250 watts à l'arbre d'hélice il est en pratique impossible de fournir une puissance de propulsion de cette valeur. Le rendement des hélices et des éléments de transmission diminueront la puissance fournie. Un bon hydro foil devra donc avoir une bonne hélice pour ne pas gaspiller l'énergie précieuse de notre joyeux pedaleur qui vogue sur la vague en rêvant.

 

 

Logiciel:Heliciel