Physique du char à voile

Pourquoi un char à voile peut aller plus vite que le vent qui le pousse, et ce que calcule la soufflerie numérique.

1. Le vent apparent

Ce que ressent la voile n'est pas le vent réel mais le vent apparent : la somme vectorielle du vent réel et du « vent vitesse », opposé à l'avancement du char. Plus le char accélère, plus le vent apparent tourne vers l'avant et se renforce. C'est ce qui permet de remonter au près et d'aller plus vite que le vent réel aux allures de travers.

2. La voile : une aile souple

La voile se comporte comme une aile : l'écoulement crée une portance (perpendiculaire au vent apparent) et une traînée (dans son axe). La somme donne la force aérodynamique, dont la composante vers l'avant propulse le char. Une voile souple cambrée a une polaire particulière, et au-delà du décrochage la portance s'effondre : on la modélise avec un raccord de Viterna. La voile est aussi en flèche autour du mât et vrillée, d'où une intégration par bandes.

3. L'équilibre de vitesse

Le char accélère tant que la poussée dépasse les résistances : traînée parasite du char et du pilote (aires mesurées), roulement des pneus et traînée induite par leur dérive. À l'équilibre, ces forces se compensent.

Quand le vent apparent adonne avec la vitesse, l'équation peut avoir plusieurs solutions : un état « arrêté » (voile décrochée, qui ne pousse pas) et un état « lancé ». La soufflerie retient l'état lancé, la plus haute racine stable. Pour l'atteindre, il peut falloir abattre d'abord : c'est pourquoi on lance un char en abattant.

4. Le pilote compte autant que la voile

Le corps du pilote et le châssis présentent une aire frontale au vent apparent. La soufflerie la mesure par un rendu orthographique dans l'axe du vent et un comptage de pixels par groupe de pièces, occultations comprises. En balayant les postures (position du bassin, redressement du buste, appui latéral), elle cherche la plus rapide à chaque allure.

5. L'écoute et le palan

La tension d'écoute dépend de la démultiplication du palan et du bras de levier autour du mât. Elle fixe l'effort demandé à la main du pilote, et donc la bordure qu'il peut réellement tenir.

6. Ne pas se coucher

Le char bascule autour de l'axe qui joint le contact de la roue avant et celui de la roue arrière sous le vent. On compare le moment de renversement de la voile au moment de rappel dû au poids et à la position du pilote : c'est elle qui limite la voile utilisable par vent fort.

7. La soufflerie 2D

Pour visualiser l'écoulement, une méthode Lattice-Boltzmann D2Q9 avec modèle de turbulence de Smagorinsky est appliquée à une coupe horizontale réelle du maillage du char. Elle donne les filets d'air et le champ de pression autour de l'engin.