Aile CFD : lire la portance, la traînée et la pression autour du profil

Heliciel ne fait pas que des hélices, et sa CFD non plus : une aile, un hydrofoil, une dérive, un stabilisateur se dessinent et se calculent de la même façon. Le concepteur donne la portance et la traînée par la polaire du profil ; le banc CFD (Computational Fluid Dynamics, simulation numérique de l'écoulement) les recalcule sur l'aile entière, en trois dimensions, et surtout montre l'air autour du profil. Ce cas concret suit une aile en air ; un hydrofoil se traite exactement de même, seul le fluide change.

L'image que tout cours d'aérodynamique dessine à la main, calculée ici sur l'aile réelle : le point d'arrêt rouge au bord d'attaque, la dépression verte qui s'étale sur le dessus du profil, la surpression jaune-orange dessous. La différence entre le dessus et le dessous, c'est la portance.

• Au sommaire :

1. L'aile et son point de vol
2. L'aile en CFD à trois finesses de maillage, trois durées
3. La pression sur l'aile et autour du profil
4. L'air qui accélère sur l'extrados
5. Et pour un hydrofoil en CFD ?
6. À retenir

1 : L'aile et son point de vol

2 : L'aile en CFD à trois finesses de maillage, trois durées

La même aile a été calculée avec trois des quatre préréglages de maillage proposés pour une aile, Aile Level 1 à Aile Level 3 ; le quatrième, le plus fin, n'a pas été calculé ici. C'est la seule décision à prendre, et ce tableau, tiré des trois calculs, dit ce qu'elle achète :

La lecture est limpide : la portance ne bouge presque pas d'un préréglage à l'autre (2 % d'écart entre le premier et le dernier), la traînée baisse à chaque cran (−17 % au total), et la finesse monte avec elle. L'explication habituelle : un maillage grossier décrit mal la mince couche d'air freinée qui colle à la peau de l'aile, et surestime le frottement. La traînée baisse encore de 7 % entre le Level 2 et le Level 3 : elle n'est pas encore stabilisée, et seul un calcul au Level 4 dirait si elle continue de baisser. Pour une portance, le Level 1 suffit ; pour une traînée ou une finesse, il faut au moins le Level 3, et le compter en demi-heure, en gardant à l'esprit que la valeur peut encore bouger d'un cran à l'autre.

Le panneau de résultats du calcul au Level 3 (nommé AileFine dans le panneau) : C_L 0,906, C_D 0,060, finesse 15,1. Le fichier de résultats du cas les traduit en 10 795 N de portance pour 715 N de traînée sur la demi-aile (ces deux forces ne figurent pas dans ce panneau). En dessous, les conditions de l'écoulement et le rappel du préréglage utilisé.

3 : La pression sur l'aile et autour du profil

Le dessus de l'aile, vu en perspective depuis le bout. Tout l'extrados est bleu : en dépression. Le bord d'attaque est rouge : c'est là que l'air frappe. Le cylindre orange en fil de fer est le repère de la zone d'incidence du banc, il ne fait pas partie du résultat.

La coupe de pression en tête de page complète cette vue : elle montre que la dépression ne reste pas collée à la peau mais s'étend dans l'air au-dessus de l'aile, sur une épaisseur comparable à la corde. Une aile porte parce qu'elle abaisse la pression d'un grand volume d'air au-dessus d'elle, pas seulement à sa surface.

4 : L'air qui accélère sur l'extrados

La même coupe, colorée par la vitesse (échelle trop petite pour être lue sur l'image). L'air arrive à 52 m/s (vert-jaune). Au-dessus de l'aile il accélère jusqu'à plus de 80 m/s (orange à rouge) : c'est cette accélération qui fabrique la dépression de l'image précédente. Sous l'aile, il ralentit à peine.

Les lignes de courant par-dessus la pression de surface. Très serrées, elles forment ici un quadrillage jaune où l'on ne distingue pas le trajet de chacune ; l'extrados reste bleu (dépression) sur toute la portion visible, sans zone désorganisée apparente. Un décrochage se verrait par des lignes qui s'écartent de la peau et s'enroulent derrière le bord de fuite : pour le contrôler, il faut zoomer sur le bord de fuite.

5 : Et pour un hydrofoil en CFD ?

Rien ne change dans la démarche. Heliciel livre un modèle hydrofoil ; le fluide devient l'eau, environ mille fois plus dense que l'air, et les efforts changent d'échelle : c'est pourquoi un foil de quelques décimètres carrés suffit à soulever un bateau. Le banc CFD prend le fluide du projet, avec sa masse volumique, sa viscosité et sa pression de vapeur, et la lecture de la pression minimale devient, comme pour l'hélice de bateau, la question de la cavitation : si le bleu le plus sombre de l'extrados descend sous la pression de vapeur, le foil cavite.

6 : À retenir

• La portance est robuste, la traînée est exigeante : 2 % d'écart sur la portance entre le maillage rapide et le maillage fin, 17 % sur la traînée. Choisir le préréglage selon la grandeur cherchée.
• Trois nombres et une image : C_L, C_D, finesse, et la coupe de pression autour du profil qui montre d'où ils viennent.
• Un décrochage se verrait sur les lignes de courant, qui décolleraient de la peau.
• Un hydrofoil suit la même page, avec la cavitation en plus à surveiller sur l'échelle de pression.

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Ces cas concrets accompagnent les didacticiels de conception Heliciel, qui traitent la partie BEM : conception de la pale, choix du régime, courbes de performance. Pour aller plus loin dans la méthode, la collection technique reste disponible.