User:Erwan1972/sandbox

Several sails: multidimensional problem resolution
The previous method for estimating the thrust of each sail is not valid for boats with multiple sails, but it remains a good approximation.

Sails close to each other influence each other. A two-dimensional model explains the phenomenon. In the case of a sloop-rigged sailboat, the foresail changes air flow entering onto the mainsail. The conditions of a stable fluid, constant and uniform, necessary for tables which give lift coefficient, are not respected with multiple sails. The cumulative effect of several sails on a boat can be positive or negative. It is well known that for the same total surface sail, two sails properly set are more effective than a single sail set correctly. Two sails can increase the sailing thrust 20% compared a single sail of same area.

The purpose of following section is to calculate force on sail thanks to Euler approch and Laws of thermodynamics.

Euler equation
the sail is inside a fluid, the air. the purpose is to calculate the speed of air in each point of space.

The speed is derivate of position of air particle with respect of time. the calssical approch is to described a motion of on particle of air. The observer is fixe on particle in motion. the motion is described by is potion by time : $$\vec{molecule} = \vec{molecule}(t)$$ then
 * $$\vec{V} = \vec{V}(\vec{molecule}) = \vec{V} (t)$$

eulerian approach is take, that means the observer is at fixe potion in space. Euler approch describe what append in particular fixe point of space. As we have air in each point of space, each point describe the behavior of air in this point. But at this fixed point the particule pass. At each time "t", we have not the same particle.

The fixe postion in space is : $$\vec{OM}$$
 * $$\frac{d\vec{OM}}{dt}=\vec{U}(\vec{OM},t) $$
 * with $$\vec{OM}(t=0)=\vec{OM}_{0}$$

When particle trought by this point $$\vec{OM}$$, thane at t=0


 * $$\vec{U}(\vec{OM}_{0}, 0)=\vec{V} (0)$$

Take the value of speed of each particle of air is exacticle the same that in each point of space give the speed of particule located at this point. .

this change of point of view change all equation. Acceleration is :

$$ \vec{\gamma} = \frac{d^2 \vec{OM}}{dt^2} =  \frac{d \vec{\frac{d \vec{OM}}{dt}}}{dt} = \frac{d \vec{U}(\vec{OM} ,t)}{dt} = \frac{d \vec{U}(\vec{OM (t)} ,t)}{dt} = \frac{\partial \vec{U}}{\partial t} + \frac{d \vec{OM}} {dt} .grad(\vec{U})$$

$$ \vec{\gamma} = \frac{\partial \vec{U}}{\partial t} + \vec{U} .grad(\vec{U}) $$

with other notation : $$ \vec{\gamma} = \frac{d\vec{U}}{dt} = \frac{\partial\vec{U}}{\partial t} + \left(\vec{U}.\vec{\nabla}\right)\vec{U} = \frac{\partial\vec{U}}{\partial t} + \overrightarrow{\nabla} \cdot \left( \vec{U} \otimes \vec{U} \right) $$

Conservation of momentum
Pour une quantité élémentaire d'air, le principe fondamental de la dynamique s'applique : il y a conservation de la quantité de mouvement. Dans le cas de l'observateur fixé à la parcelle d'air, l'équation est :
 * $$ \frac{d(m\vec{V})}{dt} = \sum{\vec{\mathrm{F}}_i} $$ ;

où
 * $$\vec{\mathrm{F}}_i$$ désigne les forces extérieures exercées sur l'objet ;
 * m est la masse de la quantité élémentaire d'air ;
 * $$\vec{V}$$ correspond à la vitesse de son centre d'inertie G.

Les forces sont :
 * les forces de pression s'exerçant sur toutes les faces de la quantité élémentaire d'air ;
 * les forces électromagnétique s'exerçant sur toute le volume de la quantité élémentaire d'air ;
 * les forces de gravité s'exerçant sur toute le volume de la quantité élémentaire d'air ;
 * les forces de frottements (ou visqueux quand le solide n'est plus solide) sur toutes les faces de la quantité élémentaire d'air ;
 * les forces massiques (le rayonnement thermique par exemple dont l'effet est la dilatation).

Dans le cas d'un point de vue Eulerien, on ne connait pas la masse qui passe par le point $$\vec{OM}$$ par contre à ce point il existe une certaine densité de l'air. La densité de l'air est définie par $$ \;  m = \rho \times volume $$

Les forces ne sont plus exprimées pour une masse donnée mais exprimées pour un volume donné.

Les forces sont :
 * la pression $$ - \overrightarrow{\nabla} p $$
 * les frottements (viscosité) $$ \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{\overrightarrow {\tau}} $$
 * les autres forces massiques $$ \rho \vec{f}$$

D'où l'équation de la conservation de la quantité de mouvement Eulérienne $$\frac{\partial\rho\vec{U}}{\partial t} + \overrightarrow{\nabla} \cdot \left(\rho \vec{U} \otimes \vec{U} \right) = - \overrightarrow{\nabla} p + \overrightarrow{\nabla} \cdot \overrightarrow{\overrightarrow {\tau}} + \rho \vec{f}$$

L'équation de quantité de mouvement dans le cas d'un fluide est appelée l'équations de Navier-Stokes.