La base de profils aérodynamiques et hydrodynamiques d'Heliciel contient les performances de chaque profil dont le logiciel a besoin pour calculer une hélice ou une aile : coefficients de portance Cz (Cl en anglais), de traînée Cx (Cd) et de moment Cm, pour chaque incidence et chaque nombre de Reynolds. Ces polaires de profils sont alimentées par des calculs automatiques avec XFOIL. Cette page explique d'où elles viennent, comment Heliciel les utilise et comment télécharger gratuitement des bases supplémentaires.

Au sommaire :

• Performances et polaires d'un profil : pourquoi s'en servir
• Base de données de profils interactive d'Heliciel
• XFOIL : la soufflerie numérique pour calculer un profil
• Télécharger gratuitement des bases de profils (NACA, symétriques, screw series)
• Comment ajouter une base de profils à Heliciel

1 : Performances et polaires d'un profil : pourquoi s'en servir

Quand nous concevons une hélice ou une aile, nous nous heurtons vite au choix du profil, ou plutôt des profils qui donneront sa forme à la pale. Pour choisir un profil aérodynamique ou hydrodynamique, nous devons pouvoir évaluer ses performances dans la situation qui nous intéresse.

Les frères Wright (1901) ont été des précurseurs, non seulement par leur vol, mais surtout par leur recherche de la forme optimale de leurs ailes. Ils ont construit une soufflerie, exposé des formes de profils à un courant d'air de vitesse variable et relevé méthodiquement la traînée et la portance. Le site partenaire mecaflux.com propose une application qui illustre le travail des frères Wright, avec des informations supplémentaires sur les souffleries.

Une soufflerie de 1901 : les mesures de portance et de traînée y ont commencé.

Les essais de profils en soufflerie restent d'actualité. Même si les outils de calcul nous aident, ils sont pour de nombreux projets le test final avant la construction. Les performances se notent sous forme de coefficients de portance (Cz, ou Cl en anglais), de traînée (Cx, ou Cd) et de moment (Cm), pour chaque incidence testée.

La courbe de Cz en fonction de l'incidence nous renseigne sur la limite de décrochage :

Le Cl croît linéairement avec l'incidence, atteint un maximum, puis chute au décrochage, quand l'écoulement se sépare du profil.

Les données de Cx et de Cz en fonction de l'incidence, tracées l'une contre l'autre, s'appellent les polaires d'Eiffel. Elles donnent une analyse rapide du profil :

• la tangente horizontale donne la portance maximale ;
• la tangente verticale donne la traînée minimale ;
• la tangente issue de l'origine donne la finesse maximale (Cz/Cx) ;
• le point d'intersection avec l'axe des Cx donne la portance nulle.

Sur la polaire, M0 marque la portance nulle, M1 la traînée minimale, M2 la finesse maximale et M3 la portance maximale.

Les mêmes courbes dans la base de données d'Heliciel : Cz et Cx en fonction de l'incidence (à gauche), polaire (à droite), un onglet par nombre de Reynolds.

Pourquoi un onglet par nombre de Reynolds ? Reynolds ouvre la voie de la comparaison entre fluides et entre échelles, par le nombre de Reynolds. Grâce à lui, nous savons appliquer à l'eau les performances d'un profil testé dans l'air. Les performances ne sont donc pas données selon la vitesse d'essai, mais selon le nombre de Reynolds. À même nombre de Reynolds, et tant qu'il n'y a ni cavitation ni effet de compressibilité, une base aérodynamique reste valable en hydrodynamique et pour des modèles de tailles différentes.

Avoir ces données sous la main est donc essentiel. Nous pouvons les chercher dans la littérature ou les mesurer sur maquette, mais le temps et les moyens que cela demande limitent le choix des profils. Le calcul numérique, avec les « souffleries numériques », apporte une partie de la réponse.

2 : Base de données de profils interactive d'Heliciel

Heliciel utilise des données calculées par soufflerie numérique et stockées dans une base de données. Plusieurs centaines d'heures de calcul automatisé sont disponibles plus bas, en téléchargement gratuit.

Performances d'un profil NACA pour un nombre de Reynolds choisi, dans la base de données interactive d'Heliciel.

Cette base est interactive parce qu'elle dialogue sans cesse avec le logiciel. Elle fournit à Heliciel les données de profils d'après la géométrie de l'aile ou de la pale que vous avez dessinée. Pendant le calcul des vitesses induites, Heliciel la consulte pour actualiser les coefficients de portance, de traînée et de moment.

Le choix du profil se règle de plusieurs façons :

• par défaut, Heliciel retient dans la base le profil de meilleure finesse au nombre de Reynolds calculé d'après les conditions de fonctionnement que vous imposez ;
• vous pouvez choisir une autre méthode de sélection, ou sélectionner à la main le profil de chaque élément de la pale ou de l'aile ;
• vous pouvez aussi imposer un seul profil, identique pour tous les éléments.

Des fonctions de recherche et de gestion permettent d'enregistrer des bases dérivées, qui ne contiennent par exemple que des profils plats ou que des profils NACA. Vous obligez ainsi Heliciel à n'utiliser que les profils que vous avez retenus.

Le menu de gestion de fichier de la base permet de changer de base de profils.

Les performances de profils sont données pour des ailes sans effet de bout : ce sont des performances 2D (en deux dimensions). Heliciel les transforme en performances 3D grâce au calcul des vitesses induites et des pertes en bout de pale, puis calcule les performances de chaque élément de la pale ou de l'aile.

Pour en savoir plus sur son utilisation, voir le mode d'emploi de la base de profils interactive.

3 : XFOIL : la soufflerie numérique pour calculer un profil

La base interactive pilote automatiquement XFOIL, la soufflerie numérique du professeur Mark Drela (MIT). Elle contient aussi un éditeur de profil : vous dessinez un profil, et XFOIL en calcule les performances sans autre intervention de votre part. Le profil peut ensuite être ajouté à la base. XFOIL peut cependant échouer si le profil s'écarte trop d'une forme aérodynamique classique.

Un utilisateur tente de faire voler un boa qui a avalé un éléphant… Qui a dit que ce profil ressemblait à un chapeau ?

Les performances de la base viennent de ce pilotage automatique. La base analyse les résultats aberrants et les corrige. Heliciel complète ensuite les polaires sur 360° : par symétrie pour les profils symétriques, et par insertion des performances d'une plaque plane pour les incidences supérieures à la chute de portance qui révèle le décrochage.

XFOIL est une excellente soufflerie numérique, difficile à battre. Il est gratuit et distribué sous licence GNU GPL (General Public License), et se télécharge sur la page de XFOIL au MIT. C'est un programme interactif de conception et d'analyse de profils subsoniques isolés. Il propose entre autres :

• l'analyse d'un profil avec prise en compte de la viscosité (nombre de Reynolds) ;
• la conception aérodynamique multipoint, par spécification interactive de la distribution de vitesse à la souris ;
• la manipulation directe de la géométrie (volets, cambrure, déformation du contour…) ;
• le calcul de polaires à Mach et Reynolds fixes ou variables ;
• l'écriture et la lecture de fichiers de géométrie et de polaires ;
• le tracé de la géométrie, des distributions de pression et des polaires.

4 : Télécharger gratuitement des bases de profils (NACA, symétriques, screw series)

Heliciel met gratuitement à votre disposition le résultat de plusieurs centaines d'heures de calculs automatisés de performances de profils. Ces données sont issues du pilotage automatique de XFOIL par la base interactive, qui corrige les résultats aberrants puis complète les polaires sur 360°. Elles sont fournies telles quelles : merci de nous signaler les anomalies que vous détecteriez.

Comment choisir ? Pour une hélice d'avion, de ventilateur ou d'éolienne, la base NACA par défaut convient dans la plupart des cas. Pour une hélice marine, les bases « screw series » correspondent aux profils réellement employés sur les hélices de bateau. Pour une hélice qui doit pousser aussi bien en marche arrière, la base symétrique autour des deux axes est la plus adaptée. Chaque base se charge à la place de la précédente : nous pouvons donc en essayer plusieurs sur le même projet et comparer les résultats.

Profils NACA :

• profils_naca Heliciel3 : profils NACA en haute définition (140 points), archive d'environ 1 Mo. C'est la base par défaut fournie avec Heliciel.

Profils aéro/hydrodynamiques cambrés :

• profils_naca Heliciel3_cambre : profils NACA cambrés, archive d'environ 0,6 Mo.

Profils aéro/hydrodynamiques symétriques :

• profils naca Heliciel3 symétriques : uniquement des profils symétriques autour de l'axe x (la corde), pour concevoir gouvernails, carènes de type dirigeable ou sous-marin, bateaux à cockpit ou fuselages (archive d'environ 0,4 Mo).
• Profils symétriques autour de l'axe x (la corde) et de l'axe y (vertical) : cette base permet de concevoir des hélices dont les performances sont identiques en marche avant et en marche arrière (archive d'environ 0,1 Mo).

Les profils classiques « screw series » : ce sont les formes de pales marines les plus utilisées. Leur épaisseur maximale se situe près du milieu de la corde, ce qui étale la dépression maximale de l'extrados et repousse la limite de cavitation. Leur bord d'attaque pointu leur donne aussi de bonnes performances en marche arrière.

Ces bases sont classées selon le nombre de pales auquel elles sont destinées (B3 pour 3 pales, B4 pour 4 pales…). Dans chaque base, les profils sont nommés d'après leur position sur le rayon et leur rapport de surface développée, qui permet d'évaluer vite la surface de pale travaillante qui devra générer la poussée. Exemple : le profil B3-45-02D appartient à une hélice à 3 pales dont la surface développée vaut 45 % de la surface du disque balayé, au rayon 0,2 R.

• profils_B3-screw series : 3 pales marines (basse définition, archive d'environ 70 Ko).
• profils_B4-screw series : 4 pales marines (basse définition, archive d'environ 80 Ko).
• profils_B5-screw series : 5 pales marines (basse définition, archive d'environ 70 Ko).
• profils_B6-screw series : 6 pales marines (basse définition, archive d'environ 35 Ko).
• profils_B7-screw series : 7 pales marines (basse définition, archive d'environ 50 Ko).

5 : Comment ajouter une base de profils à Heliciel

Pour utiliser une base téléchargée, suivez ces deux étapes :

1. Téléchargez la base, décompressez-la (extraire sous…) et enregistrez-la dans le dossier « Mes documents/documents Heliciel/ ».
2. Dans le menu Gestion Fichier base données de la base interactive, choisissez Utiliser une autre base de données de profils, puis sélectionnez la base téléchargée.

Le menu de gestion de fichier : l'entrée « Utiliser une autre base de données de profils » charge la base téléchargée.

Si la base chargée ne contient pas le profil par défaut de votre projet, Heliciel le signale par un message et désigne un autre profil par défaut.

Le message d'avertissement qui signale le changement du profil par défaut du projet.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment la loi de profils contrôle l'usage que fait Heliciel de vos profils, comment choisir le profil de chaque élément de la pale, ou comment dessiner et corriger un profil.