Conclusion sur le couplage

Le couplage de modes nous a permis d’expliquer une partie du comportement instable du cerf- volant. Quand les fr´equences propres du mouvement de grand roulis et de lacet sont proches, un comportement semblable au flottement des ailes d’avion apparait et entraine une croissance de l’amplitude des oscillations jusqu’`a la chute au sol du cerf-volant. Nos simulations pr´edisent que cela a lieu pour ∆y ≈ ∆x ce qui est en accord correct avec nos mesures exp´erimentales. Les simulations ne rendent pas compte du comportement instable pour les grandes valeurs de ∆y.

2.10

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons ´etudi´e le vol d’un cerf-volant fix´e au sol par trois suspentes. Nous avons pu montrer que plusieurs conditions ne sont pas favorables au vol. Ainsi, le vol n’est pas possible lorsque la suspente avant est fix´ee en aval des suspentes arri`eres. Dans ce cas, le cerf-volant n’a pas de position d’´equilibre en grand tangage et ne peut pas rester en l’air. Si les suspentes arri`eres sont trop proches l’une de l’autre, le cerf-volant ne peut pas voler car le couple de la force a´erodynamique ne compense pas le couple du poids. Enfin, dans le cas o`u la fr´equence propre de l’oscillation en grand roulis est proche de celle de l’oscillation en lacet, le cerf-volant peut ˆetre victime d’une instabilit´e de flottement par confusion de fr´equences. Cette instabilit´e de flottement semble s’´etendre au del`a des cas pr´evus par les simulations et demanderait `a ˆetre ´etudi´ee plus finement. Dans tous les autres cas, en particulier quand ∆x ≫ ∆y, le cerf-volant vole de mani`ere stable. Ces diff´erents comportements sont r´esum´es sur la figure2.81.

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e

Figure_{2.81 – Comportement du cerf-volant en fonction des param`etres de fixation au sol.}

Pour comparer notre ´etude aux cerf-volants r´eels, nous devons comparer l’effet du fluide ext´erieur sur notre cerf-volant par rapport `a des cerf-volants de grande taille. Comme dans l’´etude de l’ouverture du cerf-volant, les deux nombres adimensionn´es `a consid´erer sont le nombre de masse MF K et le nombre de Cauchy Cy =

ρAU2 0

Ee3_c/s2. Notre ´etude s’est plac´ee dans une gamme de nombre de masse entre 0.1 et 0.4 et une gamme de nombre de Cauchy variant entre 0 et 103. Pour des cerf-volants de grande taille, le nombre de masse augmente. Il vaut environ 10 pour un cerf volant de 1000 m2 pesant une tonne. Dans ce cas, contrairement `a notre ´etude, l’inertie du fluide entourant le cerf-volant est pr´edominante devant l’inertie de la structure. L’effet sur la dynamique du vol est potentiellement important et m´eriterais d’ˆetre ´etudi´e. Pour les cerf-volants r´eels, la gamme de nombre de Cauchy peut ˆetre tr`es large. En effet, les cerf-volants rigides ont un nombre de Cauchy proche de 0 alors que les cerf-volants souples avec peu de suspentes peuvent

10 0 0 -1 ₁₀0 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 ₁₀5 10-1 100 101 102 103 104

Figure_{2.82 – Gamme de nombre de masse et de Cauchy ´etudi´ee (en bleu) et `a ´etudier par la}

suite (en rouge). Les exemples pr´esent´es sont (a) un planeur, (b) un cerf-volant de

50 m2

d´evelopp´e par Beyond the Sea et (c) un cerf-volant sous-marin d´evelopp´e par Deep Green.

avoir un nombre de Cauchy tr`es ´elev´e. Notre ´etude `a montr´e que l’effet de l’´ecoulement sur l’envergure du cerf-volant avait un effet direct sur sa stabilit´e. Il sera donc int´eressant d’´etudier les limites des cerf-volants tr`es souples et tr`es rigides pour avoir une meilleure compr´ehension de la stabilit´e. La figure 2.82 r´esume les zones de nombre de masse et de Cauchy explor´ees et les zones qu’il sera int´eressant d’explorer par la suite.

3.1

Contributions

Dans cette ´etude, nous avons abord´e deux probl`emes importants dans le d´eveloppement `a grande ´echelle de l’utilisation de cerf-volants pour exploiter l’´energie ´eolienne : leur d´eploiement et leur stabilit´e de vol.

Notre ´etude sur les structures gonflables visait `a dimensionner les cerf-volants de grande taille en vue de leur ouverture. Pour cela, nous avons ´etabli un diagramme des phases de la dynamique du d´eploiement des structures gonflables. Nous avons d’abord caract´eris´e l’´elasticit´e des boudins sous pression : ceux-ci ont un comportement de poutre ´elastique ind´ependant de la pression pour de faibles chargements et un comportement plastique r´eversible pour des chargements plus importants. La limite entre les deux r´egimes d´epend de la pression. Cette ´etude nous a permis de donner un crit`ere pour que le cerf-volant puisse supporter son propre poids et donc puisse se d´eployer par vent faible.

Nous avons ensuite ´etudi´e la dynamique d’ouverture de structures gonflables pli´ees. Cette ´etude a permis de quantifier l’effet du fluide ext´erieur et d’avoir une id´ee du temps n´ecessaire au d´eploiement d’une structure sous pression. Nous avons plac´e ces structures gonflables dans un ´ecoulement pour comparer l’apport respectif de l’inertie et de la masse ajout´ee `a la vitesse de d´eploiement. Il apparait que pour l’utilisation dans des cerf-volants de grande taille, la rigidit´e de la structure est en g´en´eral n´egligeable en comparaison des efforts du fluide environnant. Le crit`ere le plus important pour dimensionner la structure gonflable des cerf-volants est alors leur capacit´e `a soutenir leur propre poids.

Une fois le probl`eme du d´eploiement r´esolu, nous nous sommes int´eress´es au vol d’un cerf-volant et `a sa stabilit´e. Nous avons construit une soufflerie et ´etudi´e le vol de mod`eles r´eduits fix´es en trois points au sol. Cela nous a permis d’´etablir un diagramme des phases qui montre que le vol stable n’est possible que pour certaines combinaisons sp´ecifiques de l’´ecartement des lignes et de leur longueur.

instable dans trois situations : la premi`ere a lieu quand la suspente avant est fix´ee trop proche des suspentes arri`eres ; dans ce cas, le cerf-volant est g´eom´etriquement instable et tombe au sol sans osciller. Le deuxi`eme cas d’instabilit´e apparait quand les suspentes arri`eres sont fix´ees trop proches l’une de l’autre. Dans ce cas, le moment de la force a´erodynamique ne compense pas le moment du poids et le cerf-volant tombe sans osciller. La troisi`eme instabilit´e apparait quand les suspentes arri`eres sont trop ´ecart´ees l’une de l’autre. Dans ce cas, les fr´equences propres de l’oscillation en grand roulis et de l’oscillation en lacet se rapprochent. L’instabilit´e est alors similaire `a l’instabilit´e de flottement d’une aile d’avion : les modes de lacet et de grand roulis se couplent et l’amplitude de l’oscillation augmente exponentiellement jusqu’`a la chute du cerf-volant.

Cette ´etude nous a permis d’avoir une meilleure compr´ehension des contraintes `a prendre en compte dans la fabrication de cerf-volants de propulsion. En particulier le fait que la g´eom´etrie du cerf-volant n’est pas le seul param`etre `a prendre en compte dans la conception. Il est n´ecessaire que la fixation sur le pont du navire soit adapt´ee pour que le cerf-volant reste stable. Les suspentes arri`eres ne doivent pas ˆetre fix´ees ni trop proches ni trop ´eloign´ees l’une de l’autre. Il semble tout de mˆeme que l’augmentation de taille et en particulier la r´eduction de l’inertie de l’aile aide `a la stabilit´e. L’aile autostable pr´esent´ee en dans la figure 11c page 20 oscille en vol dans un mouvement qui ressemble `a du flottement, mais les amplitudes restent tr`es faibles. Cette observation permet d’ˆetre tr`es optimiste quant `a l’utilisation de cerf-volants autostables comme moyen de propulsion d’appoint ou de s´ecurit´e sur les petites embarcations.