JavaFoil

Philippe Kauffmann, club des 5A Pardines (Auvergne)

Version 0.2 du 1^er octobre 2007

Liste des articles à : http://laic.u-clermont1.fr/~kauffmann/modelisme.htm

JavaFoil est un logiciel de soufflerie numérique 2D gratuit écrit et diffusé par Martin Hepperle. Il n’est pas le seul existant, mais possède plusieurs atouts intéressants, voir uniques. D’abord il est moderne et convivial grâce à son interface graphique. Ensuite, il est multilingue et intrinsèquement multi plateforme (Windows™, MAC et variantes d’UNIX) du fait qu’il s’agit d’un script Java (voir explications plus loin). Enfin et surtout, il permet de visualiser le flux d’air modifié par un profil et simuler le comportement d’un ensemble comportant plusieurs profils combinés.

Dans cet article court nous allons voir comment installer le logiciel et exploiter ses fonctions.

En aucun cas cet article prétend être un mode d’emploi exhaustif du logiciel (Martin Hepperle le fournit lui-même sur son site en anglais), c'est avant tout un document de prise en main rapide pour ceux qui n’aiment pas trop lire, surtout dans la langue de Shakespeare…

Installation du logiciel

Notion de script et d’applet

Une des particularités de ce logiciel est d’être fourni sous forme d'un script Java. Ceci signifie que cette application n’est pas un code directement exécutable, mais plutôt une description en Java des opérations successives à réaliser par l'ordinateur. Pour que le programme fonctionne, il faut qu’il soit interprété par un interpréteur Java qui transforme chaque ligne du script en code exécutable. Ca paraît compliqué, mais présente des avantages. Le script peut être exécuté sur n’importe quel plateforme à condition qu’elle dispose de l’interpréteur idoine ; mieux, votre navigateur Internet peut se charger de tout s’il est correctement configuré, c'est-à-dire télécharger le script et l’exécuter sous forme de ce qu’on appelle alors une applet. Cette dernière option évite d’encombrer son ordinateur avec du logiciel, mais impose évidemment d’être connecté à Internet.

Installation de l’interpréteur Java de SUN

A moins de disposer déjà d’un interpréteur Java sur son ordinateur, la première chose à faire est de télécharger puis d’installer l’interpréteur Java le plus récent de chez Sun Microsystems™ à l’adresse http://java.sun.com/fr/download/index.jsp.

Si vous rencontrez des problèmes avec le site web de SUN, vous pouvez récupérer la version 1.5 de JAVA ici.

Une fois qu’on a la page sous les yeux, il suffit de cliquer sur le bouton « Télécharger maintenant » puis de suivre les indications des diverses fenêtres et écrans qui s’activeront.

Installation et lancement du script JavaFoil

Une fois l’interpréteur Java installé il faut télécharger et enregistrer dans le répertoire créé de son choix (par exemple c:/Program Files/JavaFoil/) l’archive de JavaFoil (texte du script comprimé et non lisible par un humain) sur le site de Martin Hepperle. Il se compose de deux parties : le script proprement dit javafoil.jar disposé à l’adresse http://mh-aerotools.de/airfoils/java/javafoil.jar et le fichier des classes générales mhclasses.jar situé à l’adresse http://mh-aerotools.de/airfoils/java/mhclasses.jar.

Une fois les deux fichiers sur votre ordinateur il n’y a plus qu’à double cliquer sur javafoil.jar pour démarrer l’application. La création d’un raccourci sur le bureau rendra l’accès encore plus simple.

Si malgré la simplicité de l’installation vous préférez l’applet, allez à l’adresse http://mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm et sélectionnez « The Applet » dans le menu et ça démarra sans autre forme de procès !

Concept général et configuration

Concept de base : les onglets

L’idée générale du logiciel est de décomposer la conception et l’analyse d’un profil en étapes élémentaires successives, chacune réalisée dans une « carte logicielle » accessible via un onglet. Les onglets sont les suivants (de gauche à droite, voir figure ci-après) :

• Géométrie : introduction du profil via un ensemble de points définissant la surface du profil,
• Modifications : modification du profil précédant par changement d’échelle, zoom, homothétie, duplication, translation…
• Calcul : modification automatique du profil par le logiciel en agissant manuellement sur la courbe de pression réduite.
• Vitesses : calcul de la vitesse relative de l’air sur le profil à diverses incidences.
• Ecoulement : calcul de l’écoulement de l’air autour du profil.
• Couche limite : étude de l’effet de la friction de l’air sur le profil.
• Polaires : dessin des polaires, courbes de portances de moment et position des points de transition.

Configuration

Avant toute chose il faudra configurer le logiciel en utilisant la carte « Options » présentée ouverte dans la figure ci-dessus. Elle fournit quelques informations, quelques réglages à ne pas modifier sauf cas particulier (densité de l’air si on prévoit un modèle pour la montagne) et le choix de la langue.

On notera que le choix de la langue française introduit un particularisme qui pose problème en ce qui concerne les nombres. En effet, la France est un des rares pays qui utilise la virgule plutôt que le point pour séparer la partie fractionnaire de la partie entière des nombres décimaux. Lorsqu’on récupérera des fichiers de profils (contenant des nombres décimaux) d’origine non française et utilisant donc un point décimal au lieu de la virgule, le logiciel affichera un message d’avertissement, mais s’adaptera (contrairement à la grosse majorité des logiciels qui plantent dans ce cas).

La carte « Géométrie »

Avant tout il faut entrer un profil à l’aide de la carte « Géométrie » présentée ci-après :

Si on veut étudier un profil NACA datant des années 1930 et 1940 mais bien adapté au modélisme ou de forme standard (plat, losange, arc circulaire…) il suffit de demander à JavaFoil de le créer lui-même en renseignant les champs de la moitié droite de la carte puis en cliquant sur le bouton « Créer un profil ». Une fois le bouton pressé, le profil est dessiné et le tableau de valeurs numériques présenté dans la moitié droite de la carte au format standard « Xfoil » est généré.

Dans le tableau de données chaque ligne représente un point, le nombre de gauche étant l’abscisse du point (entre 0 pour le bord d’attaque et 1 pour le bord de fuite) alors que le nombre de droite est l’ordonnée du point en fraction de corde. Par convention on part du bord d’attaque, on parcourt l’extrados jusqu’au bord de fuite pour revenir au bord d’attaque par l’intrados. Le nombre de points est au choix, typiquement compris entre 50 et 100.

Une fois le profil créé, on peut modifier des points dans le tableau si on le désire (cliquer sur Actualiser pour que la modification soit effective) et sauvegarder le fichier de points en cliquant sur Sauvegarde.

Si on veut étudier un des 2000 profils diffusé sur Internet, il suffit de le télécharger à partir d’un site au choix (XFOIL, JavaFoil ou Nurflügel par exemple) et de l’introduire dans la carte à l’aide du bouton Ouvrir.

Si on désire étudier un profil personnel, il faudra créer le fichier de points correspondants à la main (ab nihilo ou en modifiant un fichier existant), ou mieux, modifier un profil proche à partir de la carte Modifications ou Calcul.

La carte « Modifications »

Si on souhaite modifier un profil chargé par la carte Géométrie on peut le faire grâce à la carte Modifications présentée ci-après :

Dans l’exemple montré, un point a été modifié de façon très visible avec la souris. En utilisation normale on modifiera bien sûr de nombreux points, mais de façon plus modérée !

Cette carte permet aussi de modifier globalement un profil sans toucher individuellement aux points. Il suffit de modifier une des valeurs de définition, puis de cliquer sur le bouton correspondant. Par exemple, pour placer un volet sorti de 20° il suffit de mettre la valeur adéquate dans la case « Corde du flap » et 20 dans la case « Déflection du flap », puis de cliquer sur le bouton Déflection du flap (changer uniquement une valeur dans une case sans cliquer sur un bouton ne suffit pas).

Cette carte permet aussi de créer des ensembles de plusieurs profils fonctionnant ensemble en cliquant sur Recopier, ce qui duplique le profil courant qui devra ensuite être translaté et éventuellement réorienté et changé d’échelle. Lorsqu’on a un ensemble de plusieurs profils, chaque profil porte un numéro unique dans la case Elément. Pour agir sur un « élément » à l’aide d’un des multiples boutons, la ligne correspondante doit être activée dans la case « élément » (vidéo inverse donc fond bleu). On peut activer ou désactiver un élément par un simple clic de souris sur la ligne correspondante. On peut aussi activer ou désactiver plusieurs éléments simultanément.

La carte « Calcul »

Cette carte porte mal son nom. Elle ouvre la carte présentée ci-après qui permet de modifier indirectement un profil :

L’objectif est ici à partir d’un profil de départ dont la carte donne le profil de pression réduite Cp pour un angle d’attaque donnée, d’indiquer un nouveau profil de pression désiré et d’obtenir du logiciel qu’il trouve lui-même comment modifier la forme du profil pour arriver au résultat escompté.

Dans l’exemple présenté on a, à l’aide de la souris, augmenté le Cp désiré sur l’extrados à l’avant du profil à l’incidence 0° (points et courbe rouge). Un clic sur Calcul permettrait de voir comment il faut modifier la forme du profil pour obtenir cette variation de Cp. Comme le logiciel précède par petites retouches, il peut être nécessaire de cliquer de façon répétitive sur Calcul.

C’est ce qu’on appelle la conception inverse. Il faut avoir des connaissances suffisantes en aérodynamique pour pouvoir tirer profit de cette carte dont l’utilisation sera de préférence évitée par un débutant ; le catalogue de plus de 2000 profils diffusés devant satisfaire le plus grand nombre.

La carte « Vitesses »

La carte "Vitesses" présentée ci-après précise la vitesse relative v/V (vitesse au point considéré du profil divisée par la vitesse de la veine d'air) de l'écoulement le long du profil pour différents angles d'incidence. Ces courbes sont utiles à l'aérodynamicien confirmé afin d'optimiser un profil. En particulier, il est souhaitable que la vitesse sur l'extrados varie aussi régulièrement que possible en allant vers le bord de fuite afin de prévenir la formation de bulles aux faibles Reynolds.

La carte « Ecoulement »

La carte "Ecoulement" présentée ci-après montre l'écoulement de l'air à quelque distance du profil. Cette carte est particulièrement utile pour étudier l'interaction entre plusieurs profils, car un profil modifie l'écoulement de l'air autour de lui, bien sûr au-dessus et au-dessous, mais aussi derrière et même devant (ce qui n'est pas une évidence a priori).

L'affichage peut prendre différentes apparences en fonction des cases cochées. Le choix ce fait en fonction de ce que l'on veut mettre en évidence et selon les goûts de chacun. Dans l'exemple présenté ci-dessus le profil est cabré de 5° dans la veine d'air, mais pour des questions de commodité le logiciel présente plutôt le flux d'air incliné, ce qui revient strictement au même.

On peut observer ici :

• Que le profil incline l'écoulement en aval, ce qui n'est pas surprenant.
• Que l'écoulement est aussi modifié dans une moindre mesure en avant du profil.
• Que l'écoulement s'accélère du coté de l'extrados du profil car les pointillés (mesure de la vitesse) sont plus allongés de ce coté.
• Qu'une dépression (plus marquée à l'avant du profil) est présente sur l'extrados (Cp < 0 et couleur tendant vers le jaune). C'est cette dépression qui génère la portance centrée sur le tiers avant du profil (car la partie arrière agit peu).
• Qu'il y a une surpression localisée à l'avant de l'intrados (zone de couleur bleue).

La carte « Couche limite »

La carte "Couche limite" présentée ci-après donne deux informations sur la couche limite : l'épaisseur et le point de transition. Ce sont ces données qui permettent de connaître la traînée d'un profil car elle est essentiellement le fait de la couche limite. Il n'est pas possible de faire ici de la théorie, mais quelques indications vont néanmoins permettre au néophyte de comprendre sommairement les tenants et les aboutissants de ce graphe.

La couche limite est définie comme la fine zone juste au-delà du profil où l'air est freiné par la friction sur le profil. La couche limite a une épaisseur mal définie car l'air est stoppé au contact du profil et est d'autant moins freinée qu'on s'éloigne ; le point où l'influence du profil disparaît étant assez flou. C'est pour cela qu'on trouve sur le diagramme ci-après trois paires de courbes, chacune correspondant à une définition différente de la fin de la couche limite. Dans l'exemple montré la couche limite a – au milieu du profil – une épaisseur relative δ ≈ 0, 002, soit 0,2 %, donc 0,4 mm pour une corde de 20 cm.

A l'avant du profil, la couche limite est laminaire et dissipe d'autant plus d'énergie qu'elle est épaisse, mais malgré tout relativement peu. Après le point de transition (T.U. pour l'extrados et T.L. pour l'intrados) la couche limite devient turbulente et dissipe nettement plus d'énergie. L'objectif de l'aérodynamicien est donc de trouver le profil qui reculera le plus le point de transition. Le problème principal étant que lorsque l'incidence du profil augmente le point de transition de l'extrados a tendance à rejoindre brutalement le bord d'attaque. Il faut donc avant tout trouver un profil qui accepte une forte incidence avant le déplacement du point de transition vers l'avant.

Le graphe indique aussi les points de décollement de l'écoulement (S.U. pour l'extrados et S.L. pour l'intrados). Si ces points se détachent nettement du bord de fuite, c'est que le décrochage a commencé.

On remarquera qu'il y une entrée pour sélectionner le fini de surface du profil. En effet, l'état de surface est au moins aussi déterminant que la forme du profil sur la couche limite et donc la traînée.

Dans l'exemple présenté ci-dessus la couche limite est mince car le nombre de Reynolds est élevé, ce qui est logique puisqu'il s'agit d'un profil de racer de la catégorie "Quickie 500". Le point de transition de l'extrados est à la limite du tiers avant tandis que l'écoulement est entièrement laminaire sur l'intrados, ce qui est tout à fait classique pour une incidence de 5° d'un profil bien dessiné.

La carte « Polaires »

La carte "Polaires" présentée ci-après constitue la synthèse de l'analyse aérodynamique. C'est celle qui intéresse le plus grand nombre.

La polaire indique la portance en fonction de la traînée pour différents nombres de Reynolds et donc vitesses choisies. Plus les polaires sont décalées vers la gauche moins le profil traîne. Plus les polaires sont hautes, meilleur est le C_zmax, donc la portance.

Le diagramme de droite donne quatre courbes au choix :

• portance réduite en fonction de l'angle d'incidence,
• moment de basculement réduit en fonction de l'angle d'incidence,
• position des points de transition et de décollement sur l'extrados en fonction de Cz,
• position des points de transition et de décollement sur l'intrados en fonction de Cz.

On remarquera que l'on peut choisir l'état de surface du profil, ce qui permet d'analyser son influence. Les méthodes théoriques de calcul des points de transition et de décollage de l'écoulement sont aussi laissées au choix de l'utilisateur.

Dans l'exemple présenté ci-dessus on peut observer que la finesse maximum du profil représenté par la pente de la tangente à la polaire passant par l'origine est de 1/0,015 et donc de 67. On peut aussi observer que ce profil n'a que très peu de portance pour les angles négatifs ; ce qui est tout a fait normal pour un profil dissymétrique optimisé pour la vitesse. Ici l'objectif de l'aérodynamicien a été de déplacer le plus à gauche possible la polaire du Reynolds 500 000 dans la zone de Cz comprise entre 0,2 et 0,5 sans se préoccuper du fait que le C_zmax est limité.

Conclusion

JavaFoil, en plus de disposer des mêmes fonctionnalités que les autres souffleries numériques, permet de voir l'écoulement d'un ensemble à plusieurs profils, ce qui permet d'optimiser le calage des dérives, en particulier des dérives canard toujours délicates à optimiser ou les ensembles biplans. Ce logiciel sera donc utile, même pour les modélistes ne pratiquant pas le vol à voile ou la compétition et qui n'ont donc pas besoin de profil optimisé.