Découverte & Recherche 6 novembre 2018

Pourquoi les bateaux volent-ils?

[LA CARTE BLANCHE de...]

...Jean-François Sigrist, ingénieur et rédacteur scientifique.

Pour les navigateurs engagés dans la Route du Rhum, un seul objectif : rejoindre Pointe-à-Pitre depuis Saint-Malo en un temps record… A bord de multicoques de plus en plus légers, aux lignes fines et aux carènes dynamiques, ils inventent une nouvelle navigation: entre mer et air! S’épargnant des frottements beaucoup plus importants sur l’eau que dans l’air, leurs navires sont conçus pour atteindre des vitesses toujours plus grandes. Pourquoi les navires volent-ils?

Des modèles physiques

La mécanique des fluides est la science qui permet de comprendre la dynamique des écoulements les plus divers – vents et vagues, fleuves et océans, etc. Dans sa forme moderne, elle s’est développée au XVIIème et XIXème siècles avec les travaux de mathématiciens et physiciens de cette époque : les suisses Daniel Bernoulli (1700-1782) et Léonard Euler (1707-1783), le français Claude Navier (1785-1836) et l’anglais Gabriel Stokes (1819-1903). Les modèles physiques qu’utilisent de nos jours les ingénieurs, chercheurs ou architectes navals afin de concevoir des navires sont fondés sur des équations baptisées en hommage à ces illustres scientifiques.

Mécanique des fluides

Le mouvement d’un fluide, comme l’air ou l’eau, est décrit par les variations de sa vitesse et de sa pression. Bernoulli a compris le premier que lorsqu’un fluide s’accélère, sa pression diminue et il a proposé une équation rendant compte de cette observation.

Bord d’attaque/bord de fuite

Cette propriété physique est mise à profit par les ingénieurs afin de concevoir des ailes d’avions, des hélices, des éoliennes… ou les hydrofoils équipant les catamarans des courses au large. La forme de ce dispositif permet de séparer un flux d’eau ou d’air au bord d’attaque, avant de les faire se rejoindre au bord de fuite. Le fluide s’écoulant sur la partie supérieure du foil, l’extrados, parcourt une distance plus grande que celui qui s’écoule sur sa partie inférieure, l’intrados. En vertu de la loi établie par Bernoulli, le flux accéléré sur l’extrados exerce sur le profil une pression plus faible que celle du flux ralenti sous l’intrados. Cette différence de pression engendre une force sur le foil : la portance hydrodynamique.

La portance fait voler les bateaux

L’hydrodynamique des foils

Le calcul de portance montre comment le flux d’eau circule autour de l’hydrofoil (lignes noires). Il met également en évidence les régions de surpression (en rouge et orange) et de dépression (en bleu et vert), responsables de la portance.

La portance ainsi créée par le mouvement d’air ou d’eau permet à un avion de voler, à une hélice ou une voile de propulser un navire, à une éolienne de récupérer l’énergie du vent. Avec une bonne inclinaison des foils sur la coque, la portance surpasse le poids du navire et celui-ci peut voler, ou presque…

Optimiser la forme du foil

L’enjeu est alors d’optimiser la forme du foil, afin de réaliser au mieux la séparation des flux au bord d’attaque, d’assurer leur recollement au bord de fuite, et de limiter les fluctuations de pression engendrées par les phénomènes de turbulence dans l’écoulement… Tour un art, permis entre autres depuis plus de deux siècles par l’équation de Bernoulli.

Simulation numérique

Utile pour comprendre la physique des fluides… cette équation est cependant trop simple pour pouvoir aider les ingénieurs dans leur tâche de conception. Ils utilisent de nos jours des modèles plus complets, représentant la dynamique des fluides de façon précise. Ils exploitent à cette fin la puissance des ordinateurs pour représenter l’hydrodynamique et la comprendre au moyen d’un calcul. La simulation numérique leur offre de dessiner la meilleure géométrie de foil, les matériaux à choisir pour les concevoir… pour soulever les navires au-dessus des mers !