Ce didacticiel aile ou foil (approfondissement) détaille la conception d'une aile ou d'un foil avec Heliciel quand vous voulez contrôler l'incidence, le vrillage et la distribution des épaisseurs. Ces options avaient été laissées de côté dans le premier didacticiel, construire une aile ou un foil (initiation). Une page de généralités sur les ailes rappelle les principes à connaître : ailes, hydrofoils et voiles.

Au sommaire :

• La méthode de calcul des performances d'une aile
• Choix de l'incidence et du vrillage
• Incidence effective et angle de downwash
• Forcer l'incidence d'un élément
• Répartition des épaisseurs et formes de profils

1 : La méthode de calcul des performances d'une aile

Pour calculer les performances des ailes, Heliciel utilise la théorie de la ligne portante de Prandtl. Vous pouvez concevoir votre aile sans maîtriser les fondements mathématiques de cette méthode : c'est la raison d'être d'Heliciel. Les notions de vitesses et d'angles induits qu'elle introduit aident cependant à comprendre les résultats. Elles sont détaillées sur la page théorie de la ligne portante de Prandtl.

Le premier didacticiel, construire une aile ou un foil (initiation), montre comment utiliser Heliciel pour étudier une aile ou un hydrofoil et répondre à un cahier des charges. Contrôler les incidences et la forme des profils permet ensuite de mieux maîtriser les performances et les résistances.

2 : Choix de l'incidence et du vrillage d'une aile

Heliciel peut forcer l'incidence d'un élément sélectionné. La vidéo montre ce réglage.

Si vous laissez Heliciel choisir automatiquement l'angle d'incidence de votre aile, le logiciel retient par défaut l'angle de finesse maximale théorique. Cet angle est déterminé par le rapport Cz/Cx optimal du profil (Cl/Cd en anglais). Pour une aile composée de profils différents, il peut varier d'un profil à l'autre.

3 : Incidence effective et angle de downwash

Il faut distinguer les performances 2D des performances réelles (3D) de l'aile, qui subit les vitesses induites par les tourbillons que génère la portance. Quand Heliciel applique un angle d'incidence « géométrique » (le calage), l'incidence effective que perçoit réellement le profil est modifiée par la vitesse induite. L'angle de déviation qu'elle produit s'appelle le downwash. La page downwash et théorie de la ligne portante de Prandtl traite ce phénomène en détail.

Voici la variation de l'angle effectif générée par la vitesse induite au niveau du profil d'un élément :

• La vitesse V∞ est la vitesse en amont.
• La vitesse w est la vitesse induite par les tourbillons. Elle est dirigée vers le bas : elle est donc négative.
• L'angle α est l'angle d'incidence géométrique.
• L'angle αi est l'angle d'incidence induite.
• L'angle αeff est l'angle d'incidence effectif, réellement perçu par le profil.

Dans cet exemple, nous avons laissé Heliciel appliquer l'angle d'incidence correspondant à la finesse maximale théorique, calculée d'après les performances 2D de la base de profils. Observons le schéma du profil situé à la base de l'élément 3 (clic sur l'élément, puis clic droit sur le schéma du profil dans la fenêtre 3D) :

Profil de l'élément 3 : calage et incidence de 8°, downwash de -1,78°, angle effectif de 6,22°.

Pour une aile, l'angle d'incidence et l'angle de calage sont identiques (ici 8°). Le schéma distingue l'angle effectif (6,22°) et l'angle de downwash (-1,78°). Ce dernier représente la déviation provoquée par les vitesses induites : l'angle effectif réellement perçu par le profil vaut donc 8° − 1,78° = 6,22°. C'est cet angle qui sert au calcul des performances de notre aile.

4 : Forcer l'incidence d'un élément de l'aile

Nous pouvons modifier l'incidence géométrique (le calage) de l'élément sélectionné, soit par le menu Paramètres › Forçage des incidences, soit en sélectionnant l'élément dans le modèle 3D et en ouvrant son menu par un clic droit. La vidéo montre le forçage de l'incidence d'un élément sélectionné :

En appliquant un angle forcé de 5° pour ce profil, nous obtenons un angle effectif de 4,6°.

Incidence forcée à 5° : le downwash tombe à -0,40° et l'angle effectif à 4,60°.

Les performances globales changent aussi, et la finesse globale de l'aile a diminué. C'est logique : nous avons appliqué un angle autre que l'angle de finesse maximale, et cela se répercute sur les performances 3D. Voilà pourquoi Heliciel choisit par défaut l'angle optimal de finesse maximale.

5 : Répartition des épaisseurs et formes de profils d'une aile

Pour définir l'épaisseur de l'aile, vous disposez de deux options.

• Vous pouvez forcer le profil d'un élément en le choisissant à la main dans la base de données de profils, pour l'élément sélectionné. Cette option est détaillée sur la page choix du profil de pale.
• Vous pouvez déterminer la distribution des épaisseurs le long de l'aile en sélectionnant la loi de profil par épaisseur. L'onglet Géométrie permet alors de renseigner une épaisseur demandée en pied de pale et en bout de pale, et un curseur règle la distribution de l'épaisseur entre le pied et le bout de l'aile. Cette option est détaillée sur la page distribution de l'épaisseur de pale.

Les épaisseurs demandées au pied et en bout de pale, et celles que le logiciel applique.

Pour aller plus loin, nous pouvons revenir au didacticiel d'initiation à la conception d'une aile ou d'un foil, ou approfondir l'effet de l'allongement d'une aile sur ses performances.