Les Hydrofoils 4. La Traînée

a) Principe

La traînée est la force qui s'oppose au mouvement de l'hydrofoil. On cherche donc à la rendre minimale.

La traînée se décompose en deux parties : traînée de profil et traînée induite.

- Traînée de profil : elle est due à la viscosité du fluide qui fait naître des forces de frottement. En effet, dans une zone très proche de la paroi, l'écoulement est ralenti par le frottement du fluide sur la paroi. Cette zone, proche de la paroi, où la viscosité est prépondérante est appelée couche limite.

- Traînée induite : elle est due au fait que l'allongement de l'aile n'est pas infini. En conséquence, au bord de fuite, le fluide venant de l'extrados et celui venant de l'intrados n'ont ni la même vitesse, ni la même pression. La conséquence de l'homogénéisation de ces grandeurs en aval de l'aile est la naissance de tourbillons contravariants; l'ensemble de ces tourbillons dissipateurs d'énergie est appelé le sillage.
 

b) Expériences

Mesure de la traînée
Pour la mesure de la traînée, nous avons désolidarisé le foil de la coque afin de le fixer sur une balance conçue spécialement pour la mesure de la traînée de profils.

Principe de mesure
Une fois le foil fixé à une certaine incidence, la mesure de traînée s'effectue en deux étapes. Dans un premier temps, on détermine l'état de référence en équilibrant l'ensemble à débit nul, à l'aide de la masse mobile située sur la gauche de la balance. Ensuite, pour différent débit on détermine la masse qu'il faut ajouter à droite pour que la balance retrouve son équilibre. On considère que la balance est équilibrée lorsque sa tige supérieure est horizontale.

Vidéo 2.31 Mo

On peut alors calculer la traînée en établissant l'égalité des moments :

• M_D est la masse ajoutée à débit D fixé
• M₀ est la masse ajoutée à débit nul
• g est l'accélération de la pesanteur
• 0.590 et 0.200 sont respectivement les distances à l'axe de la balance ( en mètres ) du profil et des masses rajoutées

Ainsi, on en déduit le coefficient Cx de Traînée qui s'obtient grâce à la formule suivante :

• Sref est la surface de référence du foil. Nous prendrons ici la surface représentée par la largeur du foil fois sa longueur. Or comme on l'a vu en Insérer Lien vers III.2 Notre hydroptère, nos 2 foils ont une largeur de 230 mm et une longueur de 200 mm, ce qui fait une surface de référence Sref=0.230*0.200=0.046 m2.
• Q le débit du canal.
• Scanal la section du canal, il faudra donc prendre soin de noter la hauteur d'eau à chaque mesure.
• le vecteur x représente le vecteur directeur et unitaire de l'axe horizontal.

Visualisation du sillage
Afin d'étudier le sillage créer par le foil (en l'occurence par le foil asymétrique), on introduit du colorant en aval. En théorie, ceci permet de visualiser d'une part un éventuel décollement, mais surtout les tourbillons créés au bord de fuite. Hélas, le colorant se disperse trop rapidement et l'on ne peut rien conclure de ces expériences.
 

c) Résultats

Après calcul, on obtient les courbes suivantes. Les valeurs des coordonnées des points de ces courbes sont également disponibles.

Evolution du Cx en fonction de l'incidence pour le profil NACA 0015

Commentaire des résultats :
Nous pouvons noter tout d'abord que l'allure générale de la courbe expérimental et de la courbe de source Rebuffet est la même : le coefficient Cx augmente normalement avec l'incidence jusqu'à une certaine valeur à partir de laquelle Cx augmente plus fortement. Néanmoins, les valeurs obtenues expérimentalement ne coïncident pas avec les valeurs de référence. On remarque même qu'en divisant nos valeurs par 10, les courbes se superposent. On peut expliquer l'écart obtenus par le fait que le coefficient Cx est déterminé expérimentalement et qu'il dépend des conditions expérimentales, notamment du nombre de Reynolds de l'écoulement. Les effets de confinement de l'écoulement peuvent également être à l'origine d'erreurs. Néanmoins les erreurs sont bien trop importantes et doivent être due à une faute de calcul, bien que nous ayons vérifié ceux-ci à plusieurs reprises.

Evolution du Cx en fonction de l'incidence pour le profil EPPLER 817

Commentaire des résultats:
On peut faire ici les mêmes commentaires que dans le cas du profil Naca0015. En effet, les allures générales de la courbe expérimentale et de la courbe de référence sont les mêmes, bien que les valeurs soient différentes.

Commentaire général :
Il est important de rappeler que les coefficients Cz et Cx sont déterminés de manière expérimentale, ils dépendent donc des conditions de l'expérience. Dans notre cas, les dimensions du canal imposent à l'écoulement des effets de confinement qui ne sont pas négligeables. De plus le nombre de Reynolds peut également influencer les valeurs de Cx et Cz. Enfin, notre maquette n'est pas parfaitement lisse. Elle présente des discontinuités à sa surface liées notamment à la présence de bulles d'air sous la membrane de revêtement. Ces discontinuités peuvent générer des tourbillons qui peuvent augmenter la force de traînée induite.

Comparaison des rapports portance/trainée des deux profils :
Nous avions décidé de réaliser le second profil (Eppler 817) afin d'obtenir de meilleurs performances, le profil NACA 0015 étant lui-même efficace mais présentant néanmoins des problèmes d'ordre technique lié au réglage de l'incidence.
En regard des résultats de trainée et de portance pour les deux profils étudiés, nous avons décidé de comparer les rapports portance/trainée pour un même débit dans le canal et une même incidence des profils. Nous nous attendions à avoir un rapport plus élevé dans le cas du profil optimisé Eppler 817.
Deux exemples sont présentés dans le tableau suivant :

Dans les deux cas, on a bien un rapport portance/trainée plus élevé avec le profil Eppler qu'avec le profil Naca.

Notons cependant que le protocole de mesure de la portance étant peu fiable et que nous ne disposons que de peu de résultats avec des conditions d'incidence et de débit communes, il semble difficile de trouver une quelconque loi liant les rapports portance/trainée des deux profils.