Actions de la force aérodynamique sur le navire
Méthode : Calcul de la force propulsive
Indépendamment du type de profil mis en œuvre, l'orientation de la composante propulsive dépendra de plusieurs paramètres :
L'orientation du vent apparent
Le coefficient de finesse[1] qui , varie lui même en fonction du type de profil mais également de l'incidence de ce dernier
Il est possible de démontrer que :
\(F_p=-{F_{aéro}}\cdot \cos({AWA+\arctan{\frac{C_L}{C_D}}})\)
Avec :
\(F_p\) : composante propulsive
\(F_{aéro}\) : force aérodynamique générée par le profil
\(AWA\) : gisement du vent apparent
\(C_L\) : coefficient de portance
\(C_D\) : coefficient de trainée
Complément : Démonstration de la formule de calcul de la force propulsive
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Influence de la finesse aérodynamique
Si l'on considère le cas d'un profil à incidence constante (\(\frac{C_L}{C_D}\)= constant donc), la force aérodynamique sera orientée de manière plus ou moins optimale par rapport à la direction de déplacement du navire.
Il est possible de visualiser la valeur de cette composante propulsive en fonction de l'orientation du vent apparent par rapport au navire dans une polaire.
La valeur de force propulsive est ici donnée en pourcentage de la force aérodynamique générée par le profil et correspond au rapport Fp/Fa.
La couronne extérieure correspond au gisement du vent apparent, c'est à dire sa direction par rapport à l'axe du navire.
On voit notamment que pour une force aérodynamique donnée, l'augmentation de la finesse aérodynamique permet d'obtenir une meilleure composante propulsive aux allures de près au détriment des allures de vent arrière.
Remarque : Vitesse élevée du navire= AWA défavorable
Sur des navires dont la vitesse devra être la plus élevée possible, le vent apparent viendra majoritairement d'une direction sur l'avant du travers. D'une manière générale, on comprend donc qu'il est nécessaire pour les systèmes de propulsion par le vent de générer de la portance de manière importante, avec une traînée modérée (finesse aérodynamique la plus élevée possible).
Attention : Polaire d'un profil \(\not=\) polaire d'un navire
On notera qu'il s'agit de la polaire propre à un profil, qui ne doit pas être confondue avec la polaire de vitesse d'un navire.
Incidence variable en fonction de l'allure
En réalité, selon l'allure à laquelle se trouve le navire le profil fonctionnera tantôt en régime de finesse, où la couche limite est « collée » à a surface, tantôt en régime séparé.
Exemple : Orientation limitée du profil
Si nous prenons le cas d'un profil arrivant en butée à partir d'un certain angle de vent apparent, l'incidence augmentera nécessairement au fil de l'abattée[4], diminuant par la même occasion le coefficient de finesse.
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La force de portance diminuera alors fortement au fil de la séparation de la couche limite de la surface du profil.
Dans le même temps, la force de traînée augmentera ; celle-ci étant mieux orientée par rapport à l'axe du navire, la composante propulsive s'en trouve paradoxalement améliorée.
Allure de portant= traînée
Au portant il est donc globalement plus intéressant de favoriser la force de traînée que celle de portance, ce qui explique l'usage de spinnaker et autres profils très creux et de grandes surfaces qui permettent de notablement l'augmenter.
La valeur de force propulsive est ici donnée en pourcentage de la force aérodynamique générée par le profil.
La couronne extérieure correspond au gisement du vent apparent, c'est à dire sa direction par rapport à l'axe du navire.