Aérodynamique & cerf-volant 2/2

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Catégorie parente: Technique

Mis à jour le vendredi 6 décembre 2013 10:04

Écrit par Josselin Millecamps - Webmaster

Voici une page de l'ancien site web "le site d'Eole" (aujourd'hui inaccessible) fort bien expliqué par Fréderic Camus son webmaster. Les base de l'aérodynamique liées à une aile type tarction (cerf-volant souple a caissons) y sont ici décortiquées... Vous retrouverez ainsi plusieures rubriques illustrées comme :l'aspect pointu , l'Equilibre des profils en vols, les Differents profils, et une étude sur la voile idéale ?

 

Equilibre du profil en vol

 

L'etude suivante utilisera des principes de mécaniques que j'essayrai d'expliciter au mieux.
Pour cela on utilisera le principe fondamental de la statique, et l'on supposera la vitesse de cerf-volant constante (ou nulle pour le deuxième cas) pour pouvoir l'appliquer. Ce qui est réalité est presque réel en mileu de fenetre.
Tout d'abord pour cette étude on isole le fil, fixé au cerf-volant d'un coté et à la terre de l'autre, que l'on admetterra non deformable(quand il est tension !). (On néglige le poids du cerf-volant sachant que son poid est dans la pluspart des cas inférieur à 1 kilogramme)
Donc si on isole le fil on s'apercoit que logiquement les forces exercée sur celui-ci seront portée par l'axe du fil. On en déduit donc que la portance et la trainée devront avoir une somme qui sera portée par l'axe du fil. donc lors du vol d'un profil on aura l'équilibre suivant

De plus si on extrapole on peut expliquer le ralentissement d'une aile lorsque il atteint le haut de le fenêtre. En effet si celui ci atteint le haut de la fentre avec une vitesse trop faible sa trainée le ralentira jusqu'à avoir l'équilibre suivant :

Cependant si il conserve une vitesse trop importante comme c'est le cas sur certaines voiles rapides elles iront jusqu'à la verticale et il y aura la fermeture du profil car l'incidence deviendra trop faible !

Differents profils et cerf-volants

- Les differents types de cerf-volants existants :

On peut dresser un tableau récapitulatif du matériel existant avec ses qualités, atouts et défauts.

les voiles
Type de structure	Structure en barre de carbone ou fibre de verre de différents diamètres	Aucune structure : la forme est donnée par le bridage	Structure en carbone : - 3 barres verticales - une barre tout le long du bord d'attaque	aucune structure seul le bridage donne la forme à la voile
Atout Aérodynamique	Rigide	Poche à vent et bonne remonté au vent mais beuacoup trop souple	rigide, forme ayant peu de vortex	forme s'approchant d'un profil d'avion, bonne portance et peu de vortex à cause de la forme en ellipse
Prix de revient	Assez faible peu de spi : le plus cher les barres de carbone et la connectique	Très faible: A mon avis le moins cher au monde !	Moyen	Assez important beaucoup de spi et de bridages
Atouts en vol	Vitesse et traction	-Lent et puissant - Tire même en bord de fenêtre - Parfois capricieux	Jamais essayé mais apparemment génial	Selon les contructeurs mais souvent nerveux avec un forte composante verticale (JUMP!)
Son pire défaut	ça casse	peu performant	Pas pratique à ranger	cher et non flottable
Facilité de fabrication	Jamais essayé mais ça semble faisable	Le plus facile au monde !	Je peux pas dire	Long et embettant.. !

- Les types de profils :

caractère du profil	constructeur qui utilise ces profils	Comportement du profil en vol
profils fins et plats	jojo et concept air	lent en milieu de fenetre et puissants en bout de fenetre
profils épais et très bombés	competition (QUADRIFOIL)ou Thetis (advance)	rapides en milieu de fenetre et peu efficaces en bout de fenetre

La voile idéale ?

- Les trucs pour la conception :

- Ce truc n'est pas sur mais à l'air plausible. Il faut que la hauteur maximum du profil soit au maximum à 1/3 de la ligne moyenne en partant du bord d'attaque. (en vue de coupe)
- Trop de suspente augmente considérablement la trainée.
- Si vous utilisez des tubes carbone renforcez les en rajoutant à l'interieur des baguettes de bois ou de fer et de la colle néoprêne et ça marche : c'est deux fois plus solide !
- Pour concevoir une souple bien prendre en compte la notion d'allongement car une voile trop allongée sera très capricieuse dans le vent turbulent (vent de terre par exemple lorsque l'on se trouve sur une plage avec une dune).
- Le cone de suspentage plus il est court et plus la voile et nerveuse et caprisieuse. S'il est long elle devient lente et stable.

 

- Critères de conception :

La voile idéale est celle dont je rêve toutes les nuits en fermant les yeux. Elle est belle et construite de mes propres mains. Quels doivent être ces qualités essentielles :
- facile à monter et à plier
- d'un coût de revient faible
- PUISSANTE ! et FLOTABLE

Vous vous dites ça n'existe pas ! Eh bien NON ! Il va donc falloir la créer : Alors je suis pret à concevoir avec vous : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

- Les quatre zero :

A mon avis on peut dresser une regle des quatres Zero:
- Zero déformation -> 100% rigide . En effet toutes les déformation seront des perte de puissance. En effet sur n'importe quels matériaux le fait de déformer implique une energie a été fournie. Aussi pour les cerf-volant le fait de trop les déformer implique qu'une partie de l'energie fournie par le vent ne sara pas tranformée en tration mais déformation du cerf-volant. Donc plus il est rigide, meilleur est son rendement !

- Zero vortex et Zero trainée ->Vortex et trainée sont elle aussi une perte d'energie car elle ralentisse le cerf-volant donc aussi sa traction.

- Zero bridage: Vous pensez mais il est fou, non c'est juste pour dire que le bridage est une source de poids mais aussi de trainée supplémentaire à cause des nombreux fil qui utiliseé pour un bridage complexe.

 

Avant de pouvoir étudier trainée et portance à travers des équations il faut étudier le Cr ou coefficient de résistance à l'air.

- Le Cr :

Celui ci est determiner à travers une étude en soufflerie. Le tableau suivant permet de connaitre le Cr relatif à une forme determinée. Il est important de noter que l'unité d'un Cr est la résistance offerte par un disque perpendiculaire au sens de l'écoulement de l'air.

Aussi, nous constatons que plus l'objet a une forme de fuseau allongé plus son Cr est bon. C'est donc sur ce principe que s'appuie sur le designer de voiture s'appuie pour améliorer
l'aérodynamique. Vous avez certainement entendu parler du Cx d'une voiture qui est en faite le Cr d'une voiture projeté sur l'axe x. Ce Cx est en faite le coefficient de trainée.

(Rappel : La trainée determine la resistance de l'avancement d'un profil dans une masse d'air. Plus elle est grande , plus la perte d'energie est importante )

L'exemple le plus frappant de l'evolution de l'aérodynamique et de son importance pour une voiture est l'experiance menée par Fiat qui en modifiant une Punto (modification des enjoliveurs et de l'arrière de la carroserie) a permis de diminiuer la consommation de 10% à 140 km/h ! En effet l'ajout de d'une "queue aérodynamique" a permis d'améliorer x pour le transformer en fuseau tronqué et donc améliorer son Cx et la trainée. De plus les enjoliveurs ont été modifié ressembler au maximum à un disque (haut de la photo) et diminuer les turbuluances par les motifs ou autres ouvertures des enjoliveurs qui causent des turbulances.

Aussi cet exemple nous montre l'importance grandissante de l'aérodynamique. Aussi je souhaite donner les formules mathématiques de la trainér et de la portance pour mieux les comprendre.


           Notre actualité brulante (à l'heure où j'écrit cette partie bien sur !) nous permet de remarquer aussi l'évolution des vélos comme ceux de l'équipe Casino dont la fourche avant utilisé des tubes d'une forme très effilé. En effet les tubes habituels dont la Cr est mauvais (voir Cr d'une sphere) ont été amélioré par l'utilisation d'une fourche en forme d'elipse très allongé qui permet de considerablement réduire la surface exposé à la trainée mais aussi d'améliorer le Cr relatif.

           Dernier exemple c'est celui du kilomètre lancée en ski ou à vélo (K.L pour les spécialistes) où l'on rajoute derrière les bras et les mollets des athlètes un genre de fuseau sur une longueur qui permet de diminuer de facon importante le Cr des bras et jampes des athlètes et donc de diminuer leur trainée. Ceci est logique car la forme équivalente des bras et des jambes deviennet presque celui d'un fuseau.

- La formule de la trainée et le portance :

La trainée (axe x donc en fonction du Cx)	La portance (axe z donc en fonction du Cz)
Rx= (1/2) Rho S V² Cx	Rz= (1/2) Rho S V² Cz

Dans ces formules on a :
         - S : la surface projeté sur x pour la trainée sur z pour la portance
         - V : V la vitesse relative à l'axe (x pour la trainée, z pour la portance)
         - Rho : masse spécifique de l'air
         - Cz ou Cx : Les Cr relatifs aux axes x et z et dont les valeurs sont lié à l'incidence, au profil et l'état de la surface.
Ces formules permettent de mieux comprendre le gain de consommation obtenu sur la punto :
En effet à 140km/h la trainée est importante et Cr améliorée du prototype permet de diminuer cette trainée. Il faut noter que celle ci est 4 fois plus important qu'à 70 km/h et 16 fois plus important qu'à 35km/h car la trainée est proportionnel à V².
Je pense que c'est pour cela que la réduction de consommation n'est annoncé qu'à 140 km/h car c'est à partir de telle vitesse que la trainée deveint assez importante pour avoir une inflance sur la concommation.
Pour mieux expliciter je propose de le visualiser sur un cerf-volant

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