En mécanique des fluides, un foil est une aile profilée qui se déplace dans l'eau et transmet une force de portance à son support.
Cette appellation est une simplification du mot hydrofoil; le mot anglais « foil » venant de foile, dérivé de l'ancien français foille ou fueille » venant du latin folia, feuille. Pour nommer les surfaces portantes d'un hydroptère, le Larousse n'utilise pas l'expression « plan porteur » mais « aile portante ». Le mot foil est passé dans le langage courant du nautisme (voilier à foils, catamaran à foils, Moth à foil).
La vitesse de déplacement génère sur le ou les foils une portance hydrodynamique capable de soulever la ou les coques du bateau partiellement ou totalement hors de l'eau. Le but de ce transfert de portance est de réduire la traînée de la coque (frottement et vagues) et de réduire la puissance nécessaire à la vitesse de croisière.
Les foils sont classés en deux familles principales :
Dans le cas des foils traversant la surface, plus le bateau va vite, plus il monte et moins la surface immergée est importante. La vitesse compense la perte de surface portante, la portance restant constante.
Pour une vitesse donnée, le bateau s’élève jusqu'à ce que la portance soit égale au poids. La portance est dite autorégulée puisque (théoriquement) le bateau ne risque pas de monter au point de sortir un foil de l'eau. Ces foils ont généralement un angle de calage fixe mais ils peuvent aussi être réglables (calage variable).
L'immersion du foil étant réglée sur le niveau de la surface, le bateau suit le profil des vagues (inconfort par mer agitée).
Dans le cas des foils complètement immergés, la surface portante est entièrement et constamment immergée.
L’avantage de cette configuration est sa capacité à isoler le bateau de l’effet des vagues. Les supports ou montants ou « jambes » qui relient les foils à la coque ne contribuent généralement pas à la portance. Cette configuration à foils immergés peut présenter un rendement (portance/traînée) plus élevé mais n'est pas naturellement stable en tangage et en roulis. D'autre part la surface portante est constante quelle que soit la vitesse et la hauteur de vol. Sans système de régulation, rien ne stabilise la profondeur d'immersion : le foil peut arriver à l'interface air/eau. Pour ces deux raisons le navire doit être équipé d'un système de stabilisation active piloté par des capteurs d'altitude (comme sur le Moth à foil) ou par une centrale (capteurs d'altitude, accéleromètres).
Pour faire varier les portances longitudinales et transversales en fonction de la vitesse, du rayon de virage demandé et du poids du bateau, les foils doivent être équipés d'un système de variation de portance agissant sur le calage ou la cambrure du profil ou sur l'écoulement local.
On trouve dans cette famille le plus souvent des foils en « T » inversé, mais aussi en « U » ou en « L ».
La régulation de la portance peut se faire par :
Le système est piloté par des capteurs (gyroscopes, accéléromètres et capteurs de hauteur de vol) ; des vérins contrôlent la portance des foils.
Le système est souvent piloté mécaniquement par des palpeurs placés en avant du bateau ou par un capteur d'altitude (le plus souvent un flotteur qui plane à la surface de l’eau), cf. « Moth à foil » ou « Moth Foiler ».
Engins mus par la force humaine (human powered) :
Le voilier des airs est un véhicule composé d'un ballon dirigeable et d'un hydrofoil. Il effectue un vol captif mobile maritime. L'enveloppe du ballon ou voile est reliée à une dérive stabilisée sur 3 axes (aile d'eau ou foil) permettant au voilier des airs de naviguer au vent. Le câble reliant l'hydrofoil au ballon sert de mât et le ballon de voile. L' Aerosail utilise un hydrofoil avec un profil symétrique permettant à l'aile de pouvoir aller dans les deux sens.
Dans les configurations listées ci-dessous, il est fait mention de « petite ou grande surface portante », ces surfaces peuvent être d’un seul tenant ou séparées donc formées par plusieurs foils. Le fait de disposer plusieurs surfaces portantes séparées permet d’obtenir les bras de levier et les moments nécessaires à la stabilité longitudinale (en tangage) et latérale (en roulis).
Une surface portante est caractérisée par :
Le choix de la forme en plan est lié à la distribution de portance en envergure souhaitée :
Selon l'effet Coanda et la loi de Newton. Du fait de la viscosité du milieu, la masse d'air en mouvement qui rencontre un profil cambré suit la surface de ce profil ; la masse d'air est déviée, c'est l'Effet Coanda. En réaction à la quantité de mouvement de la masse d'air déviée dans un sens (vers le bas pour un profil porteur), l'aile est tirée dans l'autre sens (vers le haut), en vertu de la troisième loi de Newton
Selon le théorème de Bernoulli. Pour une incidence positive (bord d'attaque au-dessus du bord de fuite), la dissymétrie du profil crée des vitesses plus élevées sur l'extrados et plus faibles sur l'intrados. Selon le théorème de Bernoulli cela se traduit par des pressions plus fortes sur l'intrados que sur l'extrados donc une portance dirigée vers le haut. Cette explication s'applique mal à la portance des profils minces et des plaques planes sans épaisseur.
Le profil est la section longitudinale (parallèle à la vitesse) d'une aile portante.
Les profils sont généralement définis par leurs caractéristiques géométriques principales et leurs caractéristiques hydrodynamiques (coefficients de portance, traînée, moment en tangage). Les profils les plus connus (NACA) sont classés géométriquement par familles (distribution d'épaisseur, cambrure, épaisseur).
La géométrie d'un profil est définie par les éléments suivants :
Le profil est choisi en fonction des critères principaux suivants :
Le Cz ou coefficient de portance, dépend de la masse, de la surface portante et de la vitesse. Valeur fréquente : 0,4 à 0,7 à la vitesse de croisière. La portance est F = q S Cz avec q = pression dynamique = 1/2 rho V² et rho = masse volumique du fluide.
Le Cx ou coefficient de traînée du foil, dépend :
L'angle d'incidence d'un foil (surface portante ou gouverne) est l'angle entre la corde du profil (droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite) et l'écoulement (le vecteur vitesse local).
L'angle d'incidence d’un gouvernail, qui est une surface verticale à profil symétrique, est égal à zéro lorsque le gouvernail est dans l'axe du bateau, sous réserve que le bateau ne dérive pas (n'avance pas en crabe).
La portance augmente avec l'incidence (pente de portance). À partir d’un certain angle, dont la valeur varie beaucoup en fonction du profil et de l'allongement de la surface portante, il y a décollement de l'écoulement, décrochage des filets d’eau et perte de la portance.
Pour un profil symétrique comme un gouvernail, l’angle de portance nulle est égal à zéro : le gouvernail doit être dans l’axe des filets d'eau pour annuler la portance latérale.
Pour un profil asymétrique, pour obtenir une portance nulle, le plan doit être mis en incidence négative ; c’est cet angle qui est appelé « angle de portance nulle ». Un ordre de grandeur de cet angle est donné par la valeur de la cambrure (rapport flèche/corde) du profil : un profil cambré à 4 % a une angle de portance nulle d'environ -4°.
La portance des profils immergés est limitée par la ventilation et la cavitation.
La ventilation est un phénomène liée à la proximité du plan porteur avec la surface. La forte dépression à l'extrados des foils peut créer une aspiration de l'air qui va descendre le long d'un montant (jambe de foil) ou du foil lui-même (foil en « V » traversant la surface). Dans ce cas le profil n'avance plus dans l'eau mais dans un mélange d'air et d'eau, et la portance chute brutalement (différence de densité du milieu).
Une parade est l'utilisation de cloisons ou barrières (en anglais « fences ») qui empêchent l'air de descendre le long du foil.
Sous l'effet du champ de vitesses lié à la portance, la pression à l'extrados diminue et atteint localement une valeur égale ou inférieure à la pression de vapeur saturante, ce qui déclenche l'apparition de bulles de vapeur d'eau, phénomène appelé "cavitation". Ces bulles entraînent une chute de portance. Leur implosion entraîne une érosion mécanique ou chimique qui détériore les foils, ainsi que des vibrations et bruits.