În mecanica fluidelor , o folie este o aripă poziționată și profilată astfel încât să genereze, prin mișcarea sa în apă, o forță de ridicare care acționează asupra vitezei și stabilității sale.
Cuvântul folie este folosit în limbajul nautic de zi cu zi (velier cu folie , catamaran cu folie , molie cu folie). Acest nume este o simplificare a cuvântului hidrofil ; cuvântul englezesc " foil " care vine de la foile , derivat din vechea franceză foille ou feuille "provenind din latina folia , leaf. Pentru a denumi suprafețele lagăre ale unui hidrofil , Larousse nu folosește expresia „ plan lagăr ” ci „aripă lagăr”.
Există diferite nume pentru folii: Dog of the Sea , Seaglider , Hapa , Paravane , Parafoil , Diving Deer sau Water Wing ,
Foliile nu au fost inventate la o anumită dată, dar sunt rodul muncii multor inventatori și chiar și astăzi sunt în centrul multor cercetări. Primele folii așa cum sunt cunoscute și-au văzut apariția în anii 1980. Au fost popularizate de Eric Tabarly și trimaranul său de folie: Paul Ricard . Foliile au devenit cu adevărat populare în anii 2000, odată cu apariția hidrofoilurilor; aceste multihull-uri cu folii putând atinge viteze extrem de mari datorită foliilor lor: mai mult de 100 km / h . Recordul de viteză al navigației a fost stabilit în 2012 de sailrocket 2 , o mașină cu folie. S-a atins o viteză maximă de 65,45 noduri ( 121 km / h ).
Foliile au făcut prima lor apariție în Vendée Globe în cadrul ediției din 2016, unde skipperii au avut posibilitatea de a le potrivi sau nu la corpurile lor.
Viteza de deplasare generează pe folie (folii) o ridicare hidrodinamică capabilă să ridice parcul sau total corpul ( barcile ) bărcii din apă . Scopul acestui transfer de ridicare este de a reduce rezistența corpului (frecare și valuri) și de a reduce puterea necesară la viteza de croazieră.
Foliile sunt clasificate în două familii:
În cazul foliilor care traversează suprafața, cu cât barca merge mai repede, cu atât se ridică mai mult și cu atât este mai puțin importantă suprafața scufundată. Viteza compensează pierderea foliei aeriene, ridicarea rămânând constantă.
Pentru o viteză dată, barca se ridică până când ridicarea este egală cu greutatea. Ascensorul se spune că este autoreglat, deoarece (teoretic) barca nu riscă să urce până la punctul de a scoate o folie din apă. Aceste folii au, în general, un unghi fix de pas, dar pot fi și reglabile (pas variabil).
Imersiunea foliei fiind ajustată la nivelul suprafeței, barca urmărește profilul valurilor (disconfort în mări agitate).
Folii complet scufundateÎn cazul foliilor complet scufundate, suprafața portantă este complet și constant scufundată.
Avantajul acestei configurații este capacitatea sa de a izola barca de efectul valurilor de îndată ce viteza sa este suficientă, astfel încât nava să decoleze și că umflătura nu este prea puternică. Suporturile sau montanții sau „picioarele” care leagă foliile de corp nu contribuie în general la ridicare. Această configurație de folie scufundată poate avea o eficiență mai mare (ridicare / tracțiune), dar nu este stabilă în mod natural în pitch and roll . Pe de altă parte, suprafața portantă este constantă indiferent de viteză și înălțimea zborului. Fără un sistem de reglare, nimic nu stabilizează adâncimea de imersiune: folia poate ajunge la interfața aer / apă. Din aceste două motive, nava trebuie să fie echipată cu un sistem de stabilizare activ controlat de senzori de altitudine (ca pe molia foliei) sau de o unitate de control (senzori de altitudine, accelerometre).
Pentru a varia ridicarea longitudinală și transversală în funcție de viteză , raza de viraj necesară și greutatea bărcii, foliile trebuie să fie echipate cu un sistem de variație a ridicării care acționează asupra reglajului sau a profilului profilului sau asupra debitului local.
În această familie, găsim de obicei folii „T” inversate, dar și folii „U” sau „L”.
Reglarea ascensorului se poate face prin:
Sistemul este controlat de senzori ( giroscopii , accelerometre și senzori de înălțime de zbor); de cilindri controlează ridicarea foliilor.
Sistemul este adesea controlat mecanic de senzori amplasați în fața bărcii sau de un senzor de altitudine (cel mai adesea un plutitor care planează pe suprafața apei), cf. „Moth à foil” sau „Moth Foiler”.
Mașini mișcate de puterea umană (alimentată de om):
O barcă cu pânze aeriene sau o barcă cu pânze „fără masă” este o unitate mobilă maritimă compusă dintr-un element maritim și un element eolian,
Acest mod de transport folosește forța vântului, energia eoliană , pentru a se deplasa ca o barcă cu pânze .
Obiectivul unei barci cu pânze aeriene este de a suprima rezistența hidrodinamică a corpului în apă, densitatea părților scufundate devenind foarte scăzută. Masele lor sunt susținute în esență de partea aeriană, ceea ce le face diferența principală cu barcile cu pânze de tip hidrofil, a căror masă este susținută de hidrofoil, de unde și numele de barcă cu pânză fără masă (referindu-se la densitatea părții scufundate foarte slabe).
Ansamblul poate fi compus pentru partea aeriană a unui balon, dintr-o aripă de zmeu sau orice altă formă aeriană care permite generarea forței aerodinamice și pentru partea maritimă a unui hidrofil. Cele două părți fiind conectate printr-unul sau mai multe cabluri.
Un plic al unui balon asimilat unei pânze conectate la o placă centrală stabilizată pe 3 axe (aripă de apă sau folie) permite velierului aerului să navigheze în vânt. Cablul care leagă hidrofoilul de balon servește ca catarg și balon cu vele. Aerosail folosește un hidrofil cu un profil simetric care permite zmeului să meargă în ambele sensuri.
În configurațiile enumerate mai jos, se menționează „suprafața portantă mică sau mare”, aceste suprafețe pot fi dintr-o singură bucată sau separate și, prin urmare, formate din mai multe folii. Având mai multe suprafețe portante separate , asigură efectul de pârghie și momentele necesare longitudinale (smoală) și lateral (rolă) stabilitate .
O suprafață portantă se caracterizează prin:
Alegerea formei planului este legată de distribuția dorită a distanței de ridicare:
Datorită vâscozității mediului, masa de aer în mișcare care întâlnește un profil arcuit urmează suprafața acestui profil; masa de aer este deviată, acesta este Efectul Coanda . Ca răspuns la impulsul masei de aer deviată într-o direcție (în jos pentru un profil portant), aripa este trasă în cealaltă direcție (în sus), conform celei de-a treia legi a lui Newton
Asimetria unui profil cambrat are ca rezultat viteze mai mari pe suprafața superioară și mai mici pe suprafața inferioară. Presupunerea de incompresibilitate a fluidului studiat face posibilă explicarea acestui lucru. Într-adevăr, această presupunere face posibilă arătarea conservării debitului volumic al debitului. Pe suprafața superioară, liniile curente se strâng, prin urmare suprafața scade viteza crește prin conservarea debitului volumic și invers se produce pe suprafața inferioară. Conform teoremei lui Bernoulli , care poate fi utilizată numai sub anumite ipoteze presupuse a fi verificate atunci când o folie funcționează (flux omogen, incompresibil și statonic) presiunea scade atunci când viteza crește și invers. Astfel, se creează o suprapresiune pe intrado și o depresiune pe extrado, care are ca rezultat o forță de ridicare în sus și permite creșterea foliei.
Această explicație nu se aplică bine capacității portante a profilelor simetrice subțiri și a plăcilor plate fără grosime.
Profilul este secțiunea longitudinală (paralelă cu viteza) a unei aripi de ridicare.
Profilurile sunt în general definite prin principalele lor caracteristici geometrice și caracteristicile lor hidrodinamice (coeficienți de ridicare, rezistență, moment de pitch). Cele mai cunoscute profile ( NACA ) sunt clasificate geometric după familii (distribuție grosime, curbare, grosime).
Geometria unui profil este definită de următoarele elemente:
Profilul este ales pe baza următoarelor criterii principale:
Cz sau coeficientul de ridicare , depinde de masă, suprafața portantă și viteza. Valoare frecventă: 0,4 până la 0,7 la viteza de croazieră. Ridicarea este F = q S Cz cu q = presiune dinamică = 1/2 rho V² și rho = densitatea fluidului.
Cx sau coeficientul de rezistență al foliei, depinde de:
Perioada de timp ( în engleză incidență sau rake - ul este unghiul dintre coarda profilului (linia dreaptă care unește marginea conducătoare a trailing margine ) și poziția de referință ( de obicei baza pentru funcționarea nominală, croazieră de viteză). Setarea poate fi reglabil pentru a modifica Rețineți că incidența în engleză nu înseamnă incidență în franceză. Rețineți, de asemenea, că termenul englezesc rake desemnează în aviație, de exemplu pentru elice, panta locală a marginii bărcii. atac (formă de plan, unghi de săgeată) și nu un unghi de încastrare.
Unghiul de incidență (în engleză AoA, unghiul de atac ) al unei folii este unghiul dintre coarda profilului (linia dreaptă care unește marginea de conducere cu marginea de ieșire ) și fluxul (vectorul de viteză locală). Pe măsură ce pitch-ul crește, unghiul de atac și de ridicare crește.
Unghiul de incidență al unei cârme , care este o suprafață verticală cu un profil simetric, este egal cu zero atunci când cârma se află în linia centrală a bărcii, cu condiția ca barca să nu se deplaseze (nu să se miște crabul).
Ascensorului crește cu unghiul de atac ( pantă de ridicare ). Dintr-un anumit unghi, a cărui valoare variază în funcție de profil și alungirea suprafeței portante, există o separare a debitului numită blocare și pierdere a ridicării.
Pentru un profil simetric, cum ar fi o cârmă, unghiul de ridicare zero este egal cu zero: cârma trebuie să fie în axa curenților pentru a anula ridicarea laterală.
Pentru un profil asimetric, pentru a obține o ridicare zero, planul trebuie plasat în incidență negativă; acest unghi este numit „unghiul de ridicare zero”. Un ordin de mărime al acestui unghi este dat de valoarea cambrului (raportul de deviere / coardă) al profilului: un profil curbat la 4% are un unghi zero de ridicare de aproximativ -4 °.
Capacitatea portantă a profilelor scufundate este limitată de ventilație și cavitație.
Ventilația este un fenomen legat de apropierea planului portant de suprafață. Depresiunea puternică de pe suprafața superioară a foliilor poate crea o aspirație de aer care va coborî de-a lungul unei poziții verticale (picior de folie) sau a foliei în sine (folie „V” care traversează suprafața). În acest caz, profilul nu mai avansează în apă, ci într-un amestec de aer și apă, iar ridicarea scade brusc (diferența de densitate a mediului). O soluție este utilizarea de partiții sau bariere (în engleză „ fences ”) care împiedică coborârea aerului de-a lungul foliei.
Datorită creării ridicării, presiunea la suprafața superioară scade și local atinge o valoare egală sau mai mică decât presiunea vaporilor saturați , manifestată prin apariția bulelor de vapori de apă, fenomen numit „cavitație”. Acest lucru provoacă o scădere a ridicării, iar implozia bulelor provoacă eroziunea foliilor, precum și vibrații și zgomot.