CH719442A2

CH719442A2 - System for measuring the overpressure or underpressure of a boat sail in order to optimize its performance.

Info

Publication number: CH719442A2
Application number: CH000173/2022A
Authority: CH
Inventors: Berthoud Christophe; Emmanuel Pont Jose; Mutschler Nicolas
Original assignee: Emmanuel Pont Jose
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-08-31

Abstract

La performance d'un système aérodynamique, et en particulier celle d'une voile de bateau, dépend de l'optimisation des profils ainsi que tout les réglages de celle-ci et de l'engin lié à son effet. Pour permettre d'en optimiser le rendement en tout temps et en toutes conditions, l'invention proposée consiste en un système composé d'au moins trois capteurs de pression atmosphérique placés sur l'intrados (20), l'extrados (10) et hors flux (30). Cette configuration permet de mesurer les contributions individuelles de surpressions ou de sous-pressions et d'en déterminer leur rapports. Le rapport entre sur-pression et sous-pression permet d'optimiser le couple portance/traînée du système aérodynamique considéré que ce soit en temps réel, en post-traitement ou comme paramètre d'un pilotage automatique.The performance of an aerodynamic system, and in particular that of a boat sail, depends on the optimization of the profiles as well as all the adjustments of it and of the machine linked to its effect. To make it possible to optimize its performance at all times and in all conditions, the proposed invention consists of a system composed of at least three atmospheric pressure sensors placed on the lower surface (20), the upper surface (10) and out of flow (30). This configuration makes it possible to measure the individual contributions of overpressure or underpressure and to determine their ratios. The ratio between over-pressure and under-pressure makes it possible to optimize the lift/drag couple of the aerodynamic system considered whether in real time, in post-processing or as an automatic pilot parameter.

Description

IntroductionIntroduction

[0001] Une voile ou plus généralement une aile génère de la portance en créant une zone de basse pression sur son extrados et une zone de haute pression sur son intrados. Une aile se déplace en direction de la zone de basse pression par aspiration et s'éloigne de la zone de haute pression par pression, ce qui fait voler et/ou avancer l'aile et en l'occurrence tout engin solidairement connecté à l'aile tel qu'un voilier ou un avion. [0001] A sail or more generally a wing generates lift by creating a low pressure zone on its upper surface and a high pressure zone on its lower surface. A wing moves towards the low pressure zone by suction and moves away from the high pressure zone by pressure, which causes the wing and in this case any machine integrally connected to the wing to fly and/or advance. wing such as a sailboat or an airplane.

[0002] L'invention décrite est une méthode appliquée à un voilier, cependant elle s'applique de la même manière à tout système aérodynamique, tel qu'un avion, une aile ou encore une éolienne qui utilise les forces résultantes pour faire voler, tourner ou avancer un engin. [0002] The invention described is a method applied to a sailboat, however it applies in the same way to any aerodynamic system, such as an airplane, a wing or even a wind turbine which uses the resulting forces to fly, turn or advance a machine.

[0003] Jusqu'à aujourd'hui, le réglage des voiles pendant la navigation est basé sur des aides visuelles appelées „faveurs“. Ces aides permettent au marin de visualiser les flux d'air et de déterminer si ceux-ci sont laminaires dans les voiles, auquel cas les faveurs s'orientent selon ces flux de façon non turbulent. Une des principales théories de la génération de la portance dans la voile est l'effet Coanda, le fait que les flux d'air laminaires collent au profil. Si un flux est turbulent, la pression qui en résulte est fortement réduite et la portance avec elle. L'appareil décrit permet un contrôle fin des valeurs de pression dans des zones bien choisies afin de permettre aux marins de régler précisément les voiles et/ou le cap du bateau pour maximiser leur efficacité. Celui-ci remplace, complémente ou améliore les informations visuelles fournies par les „faveurs“. [0003] Until today, the adjustment of sails during navigation is based on visual aids called “favours”. These aids allow the sailor to visualize the air flows and determine if they are laminar in the sails, in which case the favors are oriented according to these flows in a non-turbulent manner. One of the main theories of lift generation in sailing is the Coanda effect, the fact that laminar airflows stick to the profile. If a flow is turbulent, the resulting pressure is greatly reduced and lift with it. The device described allows fine control of pressure values in well-chosen areas in order to allow sailors to precisely adjust the sails and/or the heading of the boat to maximize their efficiency. This replaces, complements or improves the visual information provided by the “favours”.

[0004] L'appareil décrit peut également permettre aux fabricants de voiles d'intégrer des informations provenant du monde réel tel qu'observé à l'aide du système, dans le logiciel de simulation des voiles, afin d'affiner le modèle de simulation. [0004] The apparatus described may also allow sail manufacturers to integrate information from the real world as observed using the system, into sail simulation software, in order to refine the simulation model. .

[0005] Les inventions existantes dans ce domaine : – EP1559646A1, „Mesure d'une pression sur une voile“, Yves Gaussen, Jean-Jacques Besson, Olivier Desjeux – GB2349699A, „Indicateur de réglage optimal des voiles à l'aide de capteurs de pression“, Trevor Smithlan Bucklitsch – US3763703A, „Apparatus for trimming sails“, Jerome V. Man[0005] Existing inventions in this field: – EP1559646A1, “Measuring pressure on a sail”, Yves Gaussen, Jean-Jacques Besson, Olivier Desjeux – GB2349699A, “Optimal sail adjustment indicator using sensors pressure“, Trevor Smithlan Bucklitsch – US3763703A, „Apparatus for trimming sails“, Jerome V. Man

[0006] Les trois inventions ci-dessus concernent la maximisation de la portance. Cependant, pour pouvoir exploiter au maximum le rendement aérodynamique, un marin doit tenir compte non seulement de la portance, mais aussi de la traînée. Plus la portance augmente, plus la traînée augmente, à tel point que le marin n'optimise pas le mouvement vers l'avant du bateau, ce qui n'est pas adressé par ces inventions. Ces inventions n'abordent pas non plus les aspects pratiques des réglages, où il faut savoir passer d'une solution non réglée à une solution optimale. [0006] The three inventions above relate to maximizing lift. However, to be able to exploit maximum aerodynamic efficiency, a sailor must take into account not only lift, but also drag. As lift increases, drag increases, so much so that the sailor does not optimize the forward movement of the boat, which is not addressed by these inventions. These inventions also do not address the practical aspects of adjustments, where one must know how to go from an unadjusted solution to an optimal solution.

[0007] Les inventions ci-dessus permettent d'identifier qu'une voile est approximativement bien ou mal réglée mais, sans référentiel de pression hors flux, celles-ci ne permettent pas de déduire la correction à appliquer, soit border ou choquer dans le cas d'une voile de bateau, afin d'obtenir un réglage optimal. [0007] The above inventions make it possible to identify that a sail is approximately well or poorly adjusted but, without a pressure reference outside the flow, they do not make it possible to deduce the correction to be applied, either trim or shock in the case of a boat sail, in order to obtain optimal adjustment.

[0008] Identifiant la nécessité d'améliorer les solutions existantes et amenant une méthode basée non seulement sur la mesure de la pression différentielle entre l'intrados et l'extrados mais également sur leur proportion respective, l'invention proposée ajoute une mesure de pression hors flux au système aérodynamique considéré. [0008] Identifying the need to improve existing solutions and providing a method based not only on the measurement of the differential pressure between the intrados and the extrados but also on their respective proportion, the proposed invention adds a pressure measurement excluding flow to the aerodynamic system considered.

Description de l'inventionDescription of the invention

[0009] La nouveauté de ce système est l'ajout d'un capteur de pression hors flux d'air (HF) non soumis aux pressions sur l'intrados ou l'extrados du système aérodynamique considéré. En incluant cette mesure de pression hors flux (HF), il est maintenant possible de fournir non seulement une mesure de la pression différentielle entre l'intrados et l'extrados, mais aussi les différentiels de pressions intrados et extrados rapportés à une mesure hors flux (HF) et donc des différentiels de pressions effectives de chaque côté dans la voile. Il s'agit d'une différence majeure, car il devient possible de disposer désormais des informations sur les contributions individuelles de pression de l'intrados et respectivement de l'extrados, qui sont des informations clés pour maximiser le rapport portance/traînée, obtenu en réglant les tensions dans la voile (forme et angle d'attaque de la voile) et/ou en ajustant le cap du voilier; cette source d'information quantitative permet d'identifier l'influence du réglage de telle ou telle contribution sur la recherche de l'optimum. La Figure 1 est un graphe avec en abscisse (1) l'angle d'attaque et en ordonnée (2) la portance ou la traînée. Plus l'angle d'attaque (1) est grand, plus la portance augmente mais avec elle la traînée (2). La courbe (3) illustre la combinaison de la traînée (4) par rapport à la portance (5) dans la recherche de l'optimum. Il est constaté que l'optimum de (3) se situe avant la maximisation de 5. Les figures 2, 3, 4 et 5 illustrent différentes situations de l'utilisation du capteur de pression hors flux (HF) 30 en plus du capteur de pression de l'extrados (EXTDO) 10 et du capteur de pression de l'intrados (INTDO) 20. Les situations illustrées en bâbord amure sont symétriquement valables sur le bord opposé.[0009] The novelty of this system is the addition of a pressure sensor outside the air flow (HF) not subject to pressure on the intrados or extrados of the aerodynamic system considered. By including this out-of-flow (HF) pressure measurement, it is now possible to provide not only a measurement of the differential pressure between the intrados and the extrados, but also the intrados and extrados pressure differentials related to an out-of-flow measurement. (HF) and therefore effective pressure differentials on each side in the sail. This is a major difference, because it now becomes possible to have information on the individual pressure contributions from the lower surface and respectively the upper surface, which is key information to maximize the lift/drag ratio obtained. by adjusting the tensions in the sail (shape and angle of attack of the sail) and/or adjusting the course of the sailboat; this source of quantitative information makes it possible to identify the influence of the adjustment of this or that contribution on the search for the optimum. Figure 1 is a graph with the angle of attack on the abscissa (1) and the lift or drag on the ordinate (2). The greater the angle of attack (1), the more lift increases but with it the drag (2). Curve (3) illustrates the combination of drag (4) versus lift (5) in the search for the optimum. It is noted that the optimum of (3) is located before the maximization of 5. Figures 2, 3, 4 and 5 illustrate different situations of the use of the off-flow pressure sensor (HF) 30 in addition to the pressure sensor. pressure from the upper surface (EXTDO) 10 and from the lower surface pressure sensor (INTDO) 20. The situations illustrated on the port tack are symmetrically valid on the opposite side.

[0010] Situation de la figure 2 : La voile doit être bordée et/ou le bateau doit abattre. [0010] Situation in Figure 2: The sail must be lined and/or the boat must heave.

[0011] Dans cette situation, la grandeur Δ (EXTDO 10, HF 30), qui est la différence de pression entre les valeurs EXTDO 10 et HF 30, indiquera une pression négative car l'extrados a un flux laminaire, par contre la grandeur Δ (INTDO 20, HF 30), qui est la différence de pression entre les valeurs INTDO 20 et HF 30, indiquera une valeur de bien moindre amplitude car le flux à l'intrados n'est pas laminaire. En comparant ces deux valeurs, le marin sait maintenant qu'il doit border la voile et/ou abattre. Cela correspond à une situation où la faveur sous le vent (T 40) montre un écoulement laminaire et la faveur au vent (B 50) un écoulement non laminaire. [0011] In this situation, the quantity Δ (EXTDO 10, HF 30), which is the pressure difference between the values EXTDO 10 and HF 30, will indicate a negative pressure because the extrados has a laminar flow, on the other hand the magnitude Δ (INTDO 20, HF 30), which is the pressure difference between the values INTDO 20 and HF 30, will indicate a value of much lower amplitude because the flow on the intrados is not laminar. By comparing these two values, the sailor now knows that he must trim the sail and/or bear down. This corresponds to a situation where the leeward favor (T 40) shows laminar flow and the windward favor (B 50) non-laminar flow.

[0012] Situation de la figure 3 : La voile doit être choquée et/ou le bateau doit lofer. [0012] Situation in Figure 3: The sail must be shocked and/or the boat must luff.

[0013] De même, mais plus important encore, dans cette situation, INTDO 20 affichera une valeur positive relativement élevée, une surpression, car l'INTDO 20 se trouve en surrégime et l'extrados EXTDO 10 affichera une valeur négative relativement faible car les flux d'air ne sont plus laminaires. Cela correspond à une situation où la faveur sous le vent montre un écoulement non linéaire, turbulent, et le témoin au vent un écoulement laminaire correct. [0013] Likewise, but more importantly, in this situation, INTDO 20 will display a relatively high positive value, an overpressure, because the INTDO 20 is in overspeed and the extrados EXTDO 10 will display a relatively low negative value because the Air flow is no longer laminar. This corresponds to a situation where the leeward favor shows non-linear, turbulent flow, and the upwind witness shows correct laminar flow.

[0014] Dans les deux situations décrites aux figures 2 et 3 et en l'absence d'un capteur de pression hors flux HF 30, il est impossible avec la seule différence de pression intrados / extrados Δ (INTDO 20, EXTDO 10) de faire la différence et de recommander l'action d'optimisation au marin. En effet il s'agit d'un réglage très inefficace et le sur-bordage, qui correspond à une volonté maladroite d'uniquement augmenter la portance sans tenir compte de la traînée est une erreur souvent commise par les navigateurs débutants. [0014] In the two situations described in Figures 2 and 3 and in the absence of a pressure sensor outside the flow HF 30, it is impossible with the sole intrados/extrados pressure difference Δ (INTDO 20, EXTDO 10) to make the difference and recommend optimization action to the sailor. Indeed it is a very inefficient adjustment and overboarding, which corresponds to a clumsy desire to only increase lift without taking drag into account, is a mistake often made by novice sailors.

[0015] Ceci est très important car cela permet de façon nouvelle d'atteindre l'objectif d'optimiser l'avancement du bateau sans se fier uniquement à l'état visuel des faveurs, mais de pouvoir prendre des décisions de réglages des voiles ou du cap du bateau depuis le cockpit ou la cabine, sans ligne de vue directe vers les faveurs ou lorsque ces faveurs sont inopérantes, par exemple lorsqu'il pleut, pendant la nuit lorsqu'elles ne sont pas ou très peu visibles, en se basant sur les informations de différentiels de pression. [0015] This is very important because it makes it possible in a new way to achieve the objective of optimizing the progress of the boat without relying solely on the visual state of the favors, but to be able to make decisions about adjusting the sails or of the boat's heading from the cockpit or cabin, without direct line of sight towards the favors or when these favors are inoperative, for example when it rains, during the night when they are not or very little visible, based on on pressure differential information.

[0016] Situation de la figure 4 : Le réglage optimal. [0016] Situation in Figure 4: The optimal setting.

[0017] Dans cette situation, au moyen des valeurs EXTDO 10, INTDO 20 et HF 30 et des grandeurs Δ (EXTDO 10, HF 30) et Δ (INTDO 20, HF 30) il devient possible de connaître les contributions individuelles, leurs proportions entre elles et donc d'optimiser le rendement vélique en réglant la voile ou le cap du bateau. [0017] In this situation, by means of the values EXTDO 10, INTDO 20 and HF 30 and the quantities Δ (EXTDO 10, HF 30) and Δ (INTDO 20, HF 30) it becomes possible to know the individual contributions, their proportions between them and therefore optimize sailing performance by adjusting the sail or the heading of the boat.

[0018] L'invention apporte la possibilité d'effectuer un réglage plus précis, de mieux optimiser le rendement vélique et ce toutes les conditions de navigation : Grâce à l'introduction du capteur de pression hors flux HF 30, le marin a maintenant la possibilité de mesurer les rapports entre les grandeurs (EXTDO 10 - HF 30) et (INTDO 20 - HF 30) afin d'identifier le meilleur rapport entre eux pour optimiser le rendement du système et ce pour un ou plusieurs points dans la voile.[0018] The invention provides the possibility of carrying out a more precise adjustment, of better optimizing sailing performance in all navigation conditions: Thanks to the introduction of the HF 30 off-flow pressure sensor, the sailor now has the possibility of measuring the ratios between the quantities (EXTDO 10 - HF 30) and (INTDO 20 - HF 30) in order to identify the best ratio between them to optimize the performance of the system for one or more points in the sail.

[0019] L'optimisation peut être une interprétation visuelle des grandeurs (EXTDO 10 - HF 30) et (INTDO 20 - HF 30) représentées sous forme graphique et/ou numérique. Elle peut être combinée à un ou plusieurs autres paramètres d'avancement du bateau tel que l'analyse statistique de sa vitesse, de la vitesse du vent, des angles du vent apparent, de la destination vers sa cible et d'autres mesures (par exemple le courant marin) ou des combinaisons simples ou multiples de ces paramètres (par exemple, VMG) ou même avec l'aide de l'intelligence artificielle. [0019] The optimization can be a visual interpretation of the quantities (EXTDO 10 - HF 30) and (INTDO 20 - HF 30) represented in graphic and/or digital form. It can be combined with one or more other boat progress parameters such as statistical analysis of its speed, wind speed, apparent wind angles, destination towards its target and other measurements (e.g. example sea current) or single or multiple combinations of these parameters (e.g. VMG) or even with the help of artificial intelligence.

[0020] En outre, grâce à l'analyse des rapports des grandeurs Δ (EXTDO 10, HF 30) vs Δ (INTDO 20 - HF 30), il est maintenant possible d'interpréter en temps réel et sans aucune indication visuelle des voiles ou du bateau où l'on se situe sur la courbe de portance/trainée optimale comme illustré à la figure 5 avec en (2) le rapport portance/trainée et (1) l'angle d'attaque. [0020] Furthermore, thanks to the analysis of the ratios of the quantities Δ (EXTDO 10, HF 30) vs Δ (INTDO 20 - HF 30), it is now possible to interpret in real time and without any visual indication of the sails or the boat where we are located on the optimal lift/drag curve as illustrated in Figure 5 with (2) the lift/drag ratio and (1) the angle of attack.

[0021] La grandeur MAXLIFT est une valeur de portance optimale qui est fonction de la vitesse du bateau, de la vitesse du vent et de l'angle du vent apparent, mais également fonction de tous les autres paramètres qui pourraient influer sur l'avancement optimum du bateau. Comme la position sur la courbe de portance est connue grâce aux rapports des grandeurs Δ (EXTDO 10, HF 30) et Δ (INTDO 20, HF 30), il est maintenant possible d'ajuster MAXLIFT par un coefficient calculé statistiquement et d'obtenir un rapport optimal de MAXLIFT en rapport de la traînée. [0021] The MAXLIFT quantity is an optimal lift value which is a function of the boat speed, the wind speed and the apparent wind angle, but also a function of all other parameters which could influence the progress optimum of the boat. As the position on the lift curve is known thanks to the ratios of the quantities Δ (EXTDO 10, HF 30) and Δ (INTDO 20, HF 30), it is now possible to adjust MAXLIFT by a statistically calculated coefficient and to obtain an optimal ratio of MAXLIFT to drag ratio.

Autres applications de l'invention :Other applications of the invention:

Analyse statistique et apprentissage approfondiStatistical analysis and deep learning

[0022] Comme décrit dans les exemples ci-dessus, l'invention est utilisée pour la prise de décision en temps réel par le marin. De plus, les valeurs générées par les capteurs de pression intrados (INTDO 20), extrados (EXTDO 10) et hors flux (HF 30) peuvent être enregistrées pour un traitement ultérieur et combinées avec tout autres données provenant de la navigation ou de l'environnement du bateau tel qu'énuméré ci-après (vitesse du bateau, vitesse du vent, angles du vent apparent, destination de la cible, courants, prévisions du vent, hauteur/période des vagues, etc.) et/ou les réglages des voiles. Le traitement après la navigation utilisant cette invention peut aider le navigateur à optimiser un ou des paramètres servant à la performance du bateau. La résultante de ces analyses peut également être réintégrée dans des systèmes intelligents d'assujettissement de la navigation en temps réel. [0022] As described in the examples above, the invention is used for real-time decision-making by the sailor. In addition, the values generated by the intrados (INTDO 20), extrados (EXTDO 10) and off-flow (HF 30) pressure sensors can be recorded for later processing and combined with any other data coming from navigation or navigation. boat environment as listed below (boat speed, wind speed, apparent wind angles, target destination, currents, wind forecast, wave height/period, etc.) and/or boat settings sails. Post-sailing processing using this invention can help the navigator optimize one or more parameters serving the performance of the boat. The result of these analyzes can also be reintegrated into intelligent systems for controlling navigation in real time.

[0023] La méthode décrite s'applique à la grand-voile, foc et autres voiles, autres types de voile, espars ou appendices ayant un rôle aérodynamique ou hydrodynamique dans un système mécanique à optimiser. The method described applies to the mainsail, jib and other sails, other types of sail, spars or appendages having an aerodynamic or hydrodynamic role in a mechanical system to be optimized.

Mise au point de profil aérodynamique ou hydrodynamiqueAerodynamic or hydrodynamic profile tuning

[0024] En multipliant le nombre de capteurs dans la voile, voir la figure 6, l'invention peut être utilisée pour mieux régler les profils des différentes zones de la voile, contributives pour l'avancement du bateau, mais aussi pour réinjecter dans un logiciel de simulation des données qui permettent d'affiner la forme de la voile que ce soit lors de sa conception, son utilisation ou son amélioration. De nombreux capteurs peuvent être placés régulièrement dans la voile pour permettre une vue précise de la répartition de la pression et la simulation de l'écoulement de l'air dans le système aérodynamique. La figure 6 donne un exemple des visualisations qui peuvent être réalisées avec une augmentation du nombre de capteurs. Dans cet exemple, 2x31 capteurs sont répartis de chaque côté de la voile, permettant une représentation graphique ou numérique des grandeurs Δ (EXTDO 10, HF 30)net Δ (INTDO 20, HF 30)nsur la voile en temps réel ou pour du post-traitement. [0024] By multiplying the number of sensors in the sail, see Figure 6, the invention can be used to better adjust the profiles of the different zones of the sail, contributing to the progress of the boat, but also to reinject into a data simulation software which makes it possible to refine the shape of the sail whether during its design, its use or its improvement. Numerous sensors can be placed regularly in the sail to allow an accurate view of pressure distribution and simulation of air flow in the aerodynamic system. Figure 6 gives an example of the visualizations that can be achieved with an increase in the number of sensors. In this example, 2x31 sensors are distributed on each side of the sail, allowing a graphic or digital representation of the quantities Δ (EXTDO 10, HF 30)net Δ (INTDO 20, HF 30)non the sail in real time or for post -treatment.

Claims

1. Pressure measuring system intended for boat sails characterized in that it is composed of at least three or more atmospheric pressure sensors, arranged in such a way that it measures the pressures of the lower surface, the extrados and off-flow.

2. System arranged as in claim 1 and used in real time to help the sailor optimize the adjustment of one or more sails, the heading of the boat and/or the progress of the boat.

3. System arranged as in claim 1 and used by the automatic pilot system to optimize the heading of the boat.

4. System arranged as in claim 1 and used by a data processing system to warn the decision-making system about potential improvements in the adjustment of the sails and/or their positions relative to the main flow (wind).

5. System arranged as in claim 1 and used in post-processing to optimize the adjustment parameters of one or more sails and/or their positions relative to the main flow (wind).

6. Measuring system composed of at least three or more sensors which makes it possible to measure the pressures on the intrados, extrados and off-flow of any aerodynamic system using the lift effect for its operation.

7. Measuring system described according to claim 6 used to optimize the performance or efficiency of said system.