Brevet FR2018588A1 — publié le 19700529

L'invention concerne un dispositif pour éviter la formation de chemins de tourbillonnement sur des constructions ou des batiments relativement élevés, ayant une section essentiellement circulaire, et comportant des saillies rapportées. I1 est connu que la surface de discontinuité derrière un cylindre attaqué par une veine de fluide perpendiculairement à son axe, et pour des nombres de REYNOLDS non cri- tiques (Re/=3,5. 105), se déforme en tourbillons alternés (chemin de tourbillonnement de KÂRliÂN, voir figure 1). la razcouche limite sur le cylindre est laminaire et elle se décolle pour un angle d'azimut &alpha; # 80 . Le décollement tourbillonnaire alternatif entraîne que le champ de pression existant sur le cylindre, ainsi que la force de pression résultante agissant sur le cylindre, oscillent suivant la fréquence du décollement tourbillonnaire sur le cylindre (voir DRESCHER Zeitschrift für Flugwissenschaft, 4 (1956) pages 17 à 21). les forces longitudinales et transversales agis- sant ainsi périodiquement sur le cylindre crééent dans le cylindre des oscillations dans le sens transversal et longitudinal par rapport à la veine fluide. Dans ce cas l'oscillation transversale est beaucoup plus forte que l'oscillation longitudinale car l'amplitude de la force transversale est un multiple de l'amplitude de la force longitudinale. Par suite de ces contraintes alternatives, il peut se produire une destruction du cylindre ou des fissures dans son ancrage, mdme lorsque la vitesse du vent est faible et que l'on n'entre pas en resonance. Pour des nombres de Reynolds critiques (Re # 3,5. 105), la couche limite laminaire sur le cylindre se trans- forme en une couche limite turbulente après un certain cheminement. Cette couche limite turbulente a une énergie beaucoup plus importante que la couche limite laminaire et c'est pourquoi elle ne se décolle que pour un angle d'azimut c ~ + 1300. La tratnée du cylindre est alors turbulente c'est-à-dire qu'on n'obtient plus de cheminement de tourbillonnement. Si le nombre de Reynolds, situé dans le domaine critique, dépasse la valeur Re = 3,5 106 (nombre de reynolds transcritique ReTE) alors, selon ROSHKO (experiments on the flow past circular cylinder at very high tEYNOIDS -number, Journal), la ligne de décollement turbulente se déplace vers l'amont jusqu'à l'azimut i + 1100 et la traînée de cylindre se transforme de nouveau en des tourbillons alternés. Pour permettre une meilleure compréhension des modes de réalisation ci-après il est nécessaire d'exposer brièvement les conditions régissant la formation d'un cheminement de tourbillonnement derrière un cylindre circulaire (voir MORSBACH, Uber die Bedingungen für eine Wirbelstasenbildung hinter Kreiszylindern Dissertation TH Vachers (1967) ). Si la couche limite ne se décolle pas du cylindre circulaire le long d'une génératrice, alors les vitesses d'écoulement à partir du cylindre, ont des valeurs différentes dans la direction axiale de celui-ci. Cela signifie que la surface de tourbillonnement s'écoulant du cylindre ou surface de discontinuité présente un écoulement variable perpendiculairement à la direction d'attaque de l'écoulement de fluide. lors de l'enroulement d'une telle surface de tourbillonnement, il se crée des mouvements transversaux croissants avec le temps, du fait des fluctuations d'écoulement se produisant transversalement à la direction d'attaque à l'intérieur de la surface de tourbillonnement. Ces mouvements transversaux peuvent très fortement influencer l'enroulement de la surface de tourbillonnement à cause de leur sensibilité par rapport aux perturbations tri-dimensionnelles. lorsque les perturbations restent endessous d'une "valeur critique" alors,après un certain temps, et par suite des compensations s'effectuant dans la surface de discontinuité derrière le cylindre, il peut se créer un tourbillon avec un écoulement constant le long de son axe. Lorsque les perturbations atteignent ou dépassent une valeur critique il en résulte, par suite des fortes perturbations tridimensionnelles existant dans la surface de discontinuité, qu'un tourbillon ne peut plus se former. Cela signifie qu'il y a une traînée non ordonnée (turbulente) derrière le cylindre. Selon les essais effectués par ORSBACH, le décollement d'une couche limite cylindrique laminaire s'effectue toujours suivant une ligne droite c'est-à-dire une génératrice du cylindre. Cela signifie que la surface de discontinui- té peut s'enrouler en tourbillon sans perturbations. Le dé colle- ment d'une couche limite cylindrique turbulente s'effectue par contre de façon non rectiligne et produit de ce fait des perturbations transversales dans la surface de discontinuité.Si,le décollement s'effectue en-dessous d'un angle de décollement "critique" de C Er Ss + 1150 (Comme par exemple pour Re ide Re EK) alors les perturbations transversales produites par le décollement turbulent non linéaire restent en-dessous de leur valeur critique si bien qu'un chemin de tourbillonnement peut se former derrière le cylindre. Si l'angle de décollement de la couche limite turbulente oR Kr I alors les perturbations trans- versales dépassent leur valeur critique et la traSnée du cylindre ne peut plus stenrouler sous forme de tourbillon. L'angle de décol- lement critique n'est dépassé que pour des cylindres ayant des irrégularités de surface superficielle faibles, et dans les limites étroites ReEr ; Re 2 ReEE Pendant longtemps on pensait que pour des nombres de reynolds supérieurs à la valeur critique, il se crée toujours derrière le cylindre circulaire une tratnée non ordonnée, mais cette conception est fausse.Bien plus, il faut considérer l'existence d'un chemin de tourbillonnement derrière le cylindre circulaire, pour tous les nombres de Reynolds, comme un cas normal, et l'existence d'une traSnée non ordonnée comme un phénomène exceptionnel. En pratique un chemin de tourbillonnement peut notamment prendre naissance des constructions cylindriques circulaires élevées, comme par exemple des cheminées d'usine, des tours de refroidissement, des tours de télévision etc. De cette façon ces constructions sont soumises à des charges dynamiques fortes. Pour tenir compte dans la construction de cette charge dynamique, il faut la plupart du temps engager des frais considérables. C'est pourquoi on tend depuis longtemps à trouver une solution permettant d' éviter la formation de chemins de tourbillonnement derrière des constructions cylindriques circulaires indépendamment de la direction du vent. Une telle solution consistant à éviter la formation de cheminements de tourbillonnement derrière un cylindre circulaire, pour des nombres de Reynolds non critiques, et pour une direction d'attaque constante, consiste de façon connue à fixer sur la surface du cylindre, et parallèlement à l'axe, dans une zone angulaire azimutale de 500 D(C,600 60OS symétriquement par rapport à la direction d'attaque, des fils de butée de PRANDTl. Ces fils transforment la couche limite laminaire en une couche turbulente. De cette façon on déplace le point de décollement de la couche limite, situé initialement à un angle de décollement de i = + 800 vers un point aval situé à Ci au + 1200, cet angle étant supérieur à i Kr Comme dans l'état d'écoulement non critique, il se forme alors une traSnée turbulente derrière le cylindre, c'est-à-dire que le cylindre n'est soumis qu'à des contraintes statiques produites par la force du vent. Une construction exposée au vent naturel ne possède aucune direction d'attaque caractéristique mais peut être léchée de tous côtés. Si alors on fixe sur une telle construction, les fils de butée mentionnés ci-dessus, ceux-ci ne sont pas léchés en général de façon symétrique et ne peuvent pas éviter la formation d'un chemin de tourbillonnement. Récemment on a essayé pour cette raison de rendre lteffet du fil de butée, décrit ci-dessus, indépendant de la direction du vent en utilisant plusieurs fils de butée répartis sur la périphérie du cylindre, parallèlement à son axe longitudinal ou en forme de spirale, autour de ce cylindre. Toutefois ce montage, ou un montage analogue, augmente l'irrégularité de surface du cylindre de façon telle que9 pour pratiquement tous les nombres de Reynolds intéressants, l'angle de décollement de la couche limite turbulente est c ; i Kr. Pour de tels montages de fils de butée il se forme un chemin de tourbillonnement; aussi bien pour les nombres de Reynolds inférieurs au nombre critique que pour ceux supérieurs à celui-ci. Il en résulte que les fils de butée ne conviennent pas pour éviter l'enroulement tourbillonnaire alterné derrière une construction attaquée par un vent naturel. La présente invention a pour but de créer un dispositif permettant d'éviter la formation de chemins de tourbillonnement derrière des constructions ou des batiments relativement élevés, et pour toutes les directions d'attaque. et toutes les vitesses du vent. A cet effet l'invention concerne un dispositif pour éviter la formation de chemins de tourbillonnement sur des constructions ou des bStiments relativement élevés, du type comportant une section essentiellement circulaire, avec des saillies fixées sur cette section, dispositif caractérisé en ce que les saillies sont fixées sur des lignes périphériques perpendiculaires à l'axe longitudinal de la construction ou du btiment. Ainsi on réduit de façon spectaculaire la formation de chemins de tourbillonnement, et les constructions ou bâtiments ne sont pratiquement plus soumis qu'à des charges statiques doctes à la force du vent et le cas échéant à des charges par à-coups, dtes à des coups de vent. De cette façon on peut écarter complètement les procédés de réalisation de bâtiments ou de constructions tenant compte de charges dynamiques des à la formation de chemins de tourbillonnement et entraînant des frais de construction élevés. On a obtenu de très bons résultats en ce qui concerne le décollement de la couche limite lorsque, comme le prévoit l'invention, la hauteur des saillies est de lwordre de 1 à 2 % du diamètre de la construction ou du bâtiment. Selon une autre caractéristique de l'invention, les saillies sont réparties de façon continue ou discontinue sur la ligne périphérique. le décollement de la couche limite prend naissance indépendamment du fait que les saillies sont réparties de façon continue ou discontinue sur les lignes périphériques. Chaque choix du type de saillies se détermine en fonction du cas particulier, des données constructives et des possibilités. Ainsi, il est par exemple possible de rapporter ultérieurement ces saillies sur un bâtiment maçonné, par collage, par vissage, par rivetage, ou analogue. Si par contre la construction ou le bâtiment est en métal ou en matière synthétique9 on peut réaliser les saillies de façon monobloc avec les éléments de la construction et les obtenir par exemple par pressage ou par matriçage. On peut également modifier la forme de la section des saillies, continues ou discontinues, essentiellement suivant chaque utilisation il est particulièrement avantageux de réaliser les saillies sous forme deanneaux ou de colliers sur les constructions ou les bâtiments. Cette forme des saillies est particulièrement facile à réaliser et à monter. On obtient une efficacité optimale des saillies, lorsqu'elles sont montées,selon l'invention,de façon que la construction ou le briment comportent plusieurs groupes de saillies répartis chaque fois sur trois lignes périphériques que chacune des trois lignes périphériques d'un groupe soit écartée des autres d'une distance égale au diamètre de la construction ou du estiment9 et que l'écart des groupes entre-eux soit trois fois supérieur au diamètre du bttiment ou de la construction. Des-modes de réalisation de ltinvenw tion sont représentés, à titre d'exemples non limitatifs, sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 représente un mode de réalisation d'une surface ae discontinuité derrière un cylindre circulaire, pour des nombres de reynolds, non critiques, - la figure 2 représente le décollement d'un cylindre circulaire entouré d'un fil, dans la plage des rapports d O, 01 à 0,02. - la figure 3 représente le montage optimal de fils sur un cylindre, pour réduire la formation de chemins de tourbillonnement, - la figure 4 représente divers exemples de formes de sections de parties en saillie. Si lton dispose un fil 2 sur une construction relativement haute ou un cylindre 1 représentant une telle construction, en.fixan-i; le fil sur la périphérie, perpendiculairement à l'axe longitudinal du cylindre, de façon à constituer une partie en saillie, alors on fait décoller la couche limite 3 du cylindre 2 au voisinage direct du fil, plus tdt que la couche limite des parties du cylindre plus éloignées du fil, lorsque le cylindre 1 est léché par un fluide dans la direction de la flèche 5. Pour plusieurs fils 2 analogues montés parallèlement, on obtient alors une ligne de décollement 4 représentée dans la figure 2. Par suite de ce décollement dans la plage de nombres de Reynolds indiquées ci-dessus, la pression statique au voisinage immediat du fil 2, dans tous les angles d'azimut est toujours plus basse que dans la zone d'écoulement entre les fils si bien que l'on obtient chaque fois au voisinage des fils une perte de charge notable dans la direction de l'axe du cylindre. Cette perte de charge entraille que,dans la zone niveau morte du cylindre, entre les diverses paires de fils annulaires, il se créé un écoulement transversal parallèle au cylindre. Pour des nombres de reynolds ReA 7. 104, les perturbations transversales des surfaces de discontinuité produites par les irrégularités locales limitées de la ligne de dé collement 4 de la couche laminaire 3 adjacente, restent en-dessous de leur valeur critique, de sorte qu'il peut toujours se former un chemin de tourbillonnement. Pour des nombres de reynolds Re > 7l09 les perturbations des surfaces de discontinuité, dépassent la valeur critique cgest-à-dire qu'on ne peut plus avoir la formation de chemins de tourbillonnement, Des essais en soufflerie (voir figure 3) ont permis de trouver le montage des fils ou des anneaux présentant le maximum d'efficacité. Les résultats les meilleurs s'obtien- nent lorsque les fils 2, les anneaux ou les saillies sont répartis sur le cylindre 1 de façon qu'il existe plusieurs groupes de saillies, qui sont chaque fois constitués de saillies réparties sur trois lignes périphériques, de façon que les trois lignes périphériques d'un groupe soient distantes entre elles de la valeur du diamètre de la maçonnerie ou de la construction, et que l'écart des groupes entre eux soit égal à trois fois la valeur du diamètre de la construction. De cette façon a = D et b = 3Da Pour b > > 3D ou a > D les perturbations restent en-dessous de leur valeur critique. Les effets des fils décrits ci-dessus ont été constatés expérimentalement. le montage esquissé dans la figure 3 permet également éviter la formation d'un chemin de tourbillonnement mEme pour Re > ReT En effet même dans ce cas la couche limite s'écoulant directement au voisinage des fils se décolle plus t8t que la couche limite plus éloignée des filso Cela signifie que même pour Re > Re, l'irrégularité de la ligne de décollement de la couche limite qui est alors turbulente est si importante que les perturbations dans la surface de discontinuité dépassent la valeur critique. A titre de comparaison, on considère selon l'invention que l9on est en présence de bâtiments ou de constructions élevées lorsque le rapport de la hauteur au diamètre de la construction est au moins de 2/1 et notamment à 4/1. il est non seulement possible d'appli- quer l'invention à des constructions ou à des réalisations fixes mais encore à des objets volants comme par exemple des fusées ayant une vitesse initiale faible A titre d'exemple g on a muni le cylindre selon la figure 4 de diverses saillies possibles, les saillies 21 sont discontinues au niveau dune ligne périphérique et sont réalisées sous forme de petites plaques. Les saillies 22, 23 et 24 sont fixées de façon continue au niveau de chaque ligne périphérique et présentent une section carrée, ronde ou ovale. Bien entendu, lninvention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention RETENDICATIONS 1 0/ Dispositif pour éviter la formation de chemins de tourbillonnement sur des constructions ou des bâtiments relativement élevés, du type comportant une section essentiellement circulaire, avec des saillies fixées sur cette sec- tion dispositif caractérisé en ce que les saillies sont fixées sur des lignes périphériques perpendiculaires à ltaxe longitudinal de la construction ou du bâtiment0 20/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la hauteur des saillies correspond à environ 1 à 2 % du diamètre de la construction ou du bâtiment. 30/ Dispositif selon les revendications 1 Ou 2 caractérisé en ce que les saillies sont réparties en continu ou en discontinu sur les lignes périphériques. 40/ Dispositif selon lune quelconque des revendications de 1 à 3 caractérisé en ce que les saillies sur les bâtiments ou constructions sont constituées par des anneaux ou des colliers. 50/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4 caractérisé en ce que les bâtiments on constructions comportent plusieurs groupes de saillies, constitués chacun par trois lignes périphériques, chacune des trois lignes périphériques dun groupe étant écartée de la ligne suivante d'une distance égale au diamètre du bâtiment ou de la construction, et 1' écart des groupes les uns par rapport aux autres étant égal à trois fois le diamètre de la construction ou du bâtiment.