L'utilité des foils

Nous venons de voir que plusieurs forces réduisent considérablement les performances du bateau. C’est donc normal que les architectes et les ingénieurs navals veuillent réduire l’influence de ces forces. Mais alors pourquoi ne pas tout simplement supprimer l’influences des forces ?

Aujourd’hui les architectes ont réussis à rendre quasi nulle la trainée d’un bateau grâce aux foils, ce qui est déjà une belle performance.

Les premiers foils apparaissent dans les années 1980 mais on retrouve des traces de foils bien avant. C’est le cas de l’embarcation de "Emmanuel Farcot". C’est un français qui a utilisé pour la première fois des « foils » en 1869. Pour plus de détails sur l’histoire des foils je vous invite à lire l’article en annexe de ce sujet.

Mais alors qu’est-ce qu’un foil ?

Pour l’anecdote "foil", qui est un mot anglais, signifie : feuille de métal ou aile d’eau.

Une aile donc ! Voilà ce qui nous intéresse puisqu’en effet, le foil fonctionne comme une aile immergée. Avec un foil on assiste à un phénomène de pression-dépression, comme toute aile, ce qui engendre une portance qui fait décoller le bateau de l’eau ; la vitesse compense la perte de portance.

Ce principe a pour but de rendre quasi nulle la trainée, et ainsi de réduire la force nécessaire à sa propulsion, ce qui permet d’augmenter considérablement la vitesse du bateau.

Voici un schéma qui nous permet de comprendre le fonctionnent du foil, cette aile sous marine.

On remarque premièrement deux parties. Une longue (l’extrados), et une courte (l’intrados). On nous parle également de bord d’attaque et de bord de fuite, ainsi que d’angle d’incidence mais nous y reviendrons plus tard. Si on reprend tous les termes, voici comment fonctionne un foil.

Quand le foil se déplace, l’eau doit passer sur l’extrados et l’intrados. Elle passe entre le bord d’attaque où l’eau arrive en contact avec le foil, et le bord de fuite lorsque que celle-ci perd son contact avec le foil. Pendant que l’eau se déplace il s’écoule un certains temps. Or l’extrados est plus long que l’intrados. Lorsque les molécules d'eau arrivent en même temps sur le bord de fuite, elles doivent s'écouler plus rapidement sur l'extrados. Il y a donc une zone de dépression qui se crée sur l’extrados et une zone de surpression qui se crée sur l’intrados. Ces zones engendrent une portance qui permet au foil de s’élever, ainsi que la coque.

L’angle d’incidence maintenant. Comparons le foil et une pale d’hélicoptère, tous deux des ailes. Il faut savoir que les pales de l’hélicoptère tournent à la même vitesse à l’arrêt comme en l’air. C’est donc l’angle d’incidence (l’angle de l’inclinaison des pales) qui permet la création d’intrados et d’extrados, ce qui crée la dépression et permet à l’hélicoptère de s’envoler. C’est encore une fois le même principe qui est appliqué sur les foils. Ceux-ci sont fixés à un certain angle d’incidence. Quand la vitesse est suffisante, la dépression va se former sur l’extrados du foil grâce à cet angle d’incidence … Vous connaissez la suite.

On remarque grâce à ce tableau que la trainée et la portance augmentent avec l’angle d’incidence. Cependant on remarque également qu’à partir de 14° l’angle d’incidence n’a plus besoin d’être augmenté, car la portance redescend. Même si il y a une augmentation de trainée, celle-ci ne concerne que le foil, donc elle reste minime. On peut donc en déduire que le meilleur angle d’incidence est entre 2° et 14°. Il ne reste plus qu’à déterminer à quel angle la coque sort le plus rapidement de l’eau et si la trainée est suffisante pour la maintenir hors de l’eau.

Attention tout de même à la notion de couche limite et de décrochage. La couche limite est la zone de contact entre un fluide et un corps lors d'un mouvement relatif entre les deux. Elle a un rôle important en hydrodynamisme car son décollement due à un angle d'incidence trop grand, provoque une chute de portance ainsi qu'une augmentation de la trainée, ce qui est bien-sur indésirable.

Si nous reprenons notre tableau, nous avions vu qu'au delà d'un angle de 14°, la portance chutait et que la trainée augmentait. C'est donc un phénomène de décollement de la couche limite qui se passe.

L'augmentation de l'angle de d'incidence qui induit le décollement de la couche limite s'appelle le décrochage. Il peut cependant se produire à n'importe qu'elle vitesse.

Le foil présente tout de même quelques inconvénients. Il en existe deux principaux : le phénomène de ventilation et le phénomène de cavitation.

La ventilation est le phénomène qui se produit lorsque le foil est proche de la surface de l’eau. La forte dépression à l’extrados va permettre à l’air de descendre le long du bras qui relie le foil et la coque, voire sur le foil lui même. Le foil avancera donc dans un mélange d’eau et d’air ce qui va engendrer une chute de portance. Cette chute, si elle est violente, peut provoquer des dégâts au bateau.

Le phénomène de cavitation apparaît sous l’effet de la vitesse. Sous l’effet de la vitesse la pression à l’extrados se rapproche de la valeur de la pression saturante (quand une substance est entre sa phase gazeuse et liquide), parfois elle est même égale à celle-ci. Dans ce cas on a l’apparition de bulles de vapeur, qui encore une fois entrainent une chute de portance. Ce problème peut avoir des conséquences plus graves : il engendre premièrement de fortes vibrations nuisibles qui s’associent à un bruit assourdissant, mais on a eu par exemple certains cas d’érosion prématurée.

Examinons maintenant les foils de nos deux bateaux.

Ceux de l’IMOCA Banque Populaire VIII sont des foils en L2.0 : ce sont des foils traversans ayant plus ou moins la forme d’un L. Ils s’autorégulent, et s’élèvent jusqu’au moment où la portance est égale au poids du bateau. Ce sont donc des foils qui théoriquement ne peuvent pas sortir de l’eau. Ils ont un calage fixe, leur angle d’incidence ne varie pas. Leurs inconvénients sont qu’avec l’autorégulation, le foil suit le profilage des vagues, ce qui est inconfortable pour l’équipage surtout en cas de mer agitée. De plus ce sont des foils qui restent difficiles à créer et à manier.

Pour le Maxi Banque Populaire V qui est un trimaran, les foils sont un atout indispensable à son équilibre. D’une part ils soulagent la proue du bateau et d’autre part, ils augmentent la vitesse qui à son tour augmente l’équilibre. Pour ce bateau nous avons des foils dérivés des foils en V : des foils en cuillère. Ils ont l’avantage de diminuer le risque de ventilation, de développer une portance bien meilleure ainsi que de diminuer la force d’antidérive. Ils sont, contrairement aux foils de l’IOMCA, plus faciles à gérer. Leur système de rétraction permet une mise à l’eau plus aisée, et dans le cas d’une navigation à vitesse réduite, cette extraction permet de réduire le tirant d’eau du bateau.

Cependant réduire la traînée n'est pas la seule solution pour augmenter la vitesse, la puissance et un facteur qu'il ne faut pas négliger, elle est produite par la forme de coque, plus d'explications dans cet article.