L'aérodynamique des voiles de bateau est celle d'une aile déformable : la voile remonte le vent grâce à sa portance, et sa qualité se mesure à sa finesse, le rapport entre portance et traînée. Trois facteurs la gouvernent à surface et vent apparent égaux : l'incidence du vent sur la voile, la forme du profil et l'allongement. Cette page décrit ces trois facteurs et conduit à la modélisation d'une voile dans Heliciel.

Au sommaire :

• Pourquoi la finesse d'une voile compte
• La voile, une aile déformable
• Polaire de voile : l'allongement et la finesse
• Incidence, profil et allongement : les facteurs de performance
• Modéliser une voile avec Heliciel

1 : Pourquoi la finesse d'une voile compte

Les formes de voiles ont évolué avec les techniques et la connaissance des phénomènes aérodynamiques. Cette recherche des meilleurs coefficients de portance et des meilleures finesses nous a donné la forme actuelle des voiles de voilier. La finesse représente la capacité à remonter au vent, donc la liberté de manœuvre du voilier.

À l'époque de la marine à voile, cette liberté par rapport à la direction du vent était essentielle au développement du transport maritime. Elle apportait :

• la sécurité, quand des vents contraires poussaient les voiliers vers la côte ;
• l'agilité de manœuvre, qui rendait accessibles les passages ou les accostages délicats et donnait la supériorité au combat naval ;
• la possibilité de découvrir de nouvelles routes, qui s'écartent de celle du vent ;
• pour ne citer que les plus évidentes.

2 : La voile, une aile déformable

Loin d'être achevée, l'évolution des voiles de bateau est proche de celle des ailes et des hydrofoils. Une voile est une aile déformable, et son aérodynamique ressemble à celle d'une aile. Étudier les profils d'aile puis les ailes est la première étape pour comprendre les phénomènes aérodynamiques qui agissent sur les voiles.

3 : Polaire de voile : l'allongement et la finesse

La qualité d'une voile se détermine par sa finesse, rapport du coefficient de portance Cz (Cl en anglais) au coefficient de traînée Cx (Cd). Une polaire place Cz en fonction de Cx pour chaque angle d'incidence α du vent sur la voile. La polaire ci-dessous compare diverses formes de voile, de l'allongement (AR, aspect ratio) 6 à 1/3.

Polaire de voiles d'allongement 6, 3, 1 et 1/3 : plus la voile est allongée, plus la portance monte vite pour une traînée faible.

Sur la figure, la voile d'allongement 6 atteint un Cz voisin de 1,2 vers 15° d'incidence en gardant un Cx faible, alors que la voile d'allongement 1/3 ne dépasse ce Cz qu'avec un Cx supérieur à 1. Nous constatons donc que l'allongement des voiles triangulaires augmente nettement les performances aux allures de près.

4 : Incidence, profil et allongement : les facteurs de performance d'une voile

À surface égale et à vitesse de vent apparent égale, les performances d'une voile dépendent de plusieurs facteurs :

1. L'angle d'incidence avec lequel le vent entre dans la voile détermine les forces de traînée et de portance. Leur rapport donne la finesse de la voile, et l'on recherche toujours l'incidence qui offre la finesse la plus élevée.
2. La forme du profil : la finesse varie avec la courbure du profil et avec le nombre de Reynolds. Ce nombre de Reynolds donne le type d'écoulement pour toutes les dimensions de profil et toutes les vitesses de fluide : Re = (vitesse moyenne × longueur de référence) / viscosité cinématique du fluide.
3. L'allongement de la voile : la portance d'une aile naît de la dépression sur son extrados et de la pression sur son intrados. En bout d'aile, l'air de la zone de pression contourne le bout pour rejoindre la zone de dépression, et forme un tourbillon proportionnel à la différence de pression. Ce phénomène diminue la portance en bout d'aile. Pour limiter cette perte, il faut éviter de concentrer la portance au bout de l'aile et l'étaler sur une grande envergure. Pour en savoir plus, voyez l'allongement des ailes.

D'autres facteurs, comme le vrillage, la rugosité ou l'interaction entre les voiles, sont déterminants aussi. Mais concentrons-nous d'abord sur la modélisation d'une voile qui tient compte de ces trois facteurs : l'incidence, la forme des profils et l'allongement.

5 : Modéliser une voile avec Heliciel

La vidéo suivante est un didacticiel de conception et de modélisation d'une voile avec Heliciel.

Modeliser une voile mat aile dans heliciel

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment l'allongement et la winglet limitent les pertes de bout d'aile, ou comment une aile se modélise en 3D dans Heliciel.