Brevet FR2531503A1 — publié le 19840210

253-1503 Procédé et dispositif d'influencement de la couche limite de corps se trouvant dans un écoulement. La Drésente invention concerne un procédé et un dispositif d'influencement de la couche limite de corps se trouvant dans un écoulement selon le principe de la modification active du mouvement originel des particules en écoulement, ou particules fluides, voisines de la paroi. On sait que maints animaux, poissons et oiseaux par exemple, se déplacent souvent avec des nombres de Revnolds étonnawment élevés cue l'on ne peut s'expliquer que par une influence positive de la texture superficielle du corps sur l'écoulement A partir de ces constatations, on a essayé par le passé de construire par exemple des corps sous-marins dont l'enveloppe extérieure flexible imitait la peau des dauphins, ou bien, comme indiqué dans la demande de brevet allemand DE-OS 19 2-3 633, on a proposé un profil d'aile qui, comme une aile d'oiseau, présentait une garni- ture en genre de fourrure L'étude, engagée dans les années cinquante, de tels réducteurs passifs de résistance, a montré qu'une enveloppe extérieure flexible peut agir dans le sens de la réduction de la résistance de double façon 1 la flexibilité de l'enveloppe extérieure peut amortir les oscillations d'instabilité des particules fluides dans la couche limite laminaire et retarder ainsi la transition, d'o une réduction de résistance allant jusqu'à 56 %; 2 la flexibilité de l'enveloppe extérieure peut diminuer considérablement le frottement de la paroi en cas de couche limite turbulente (cela jusqu'à présent sans explication physique précise), d'o une réduction de résistance allant jusqu'à 70 %. Partant du mode d'influencement "passif" précité de l'oscillation dans la couche limite, l'invention a pour objet d'obtenir ou d'améliorer par un influencement "actif" de l'oscillation de l'écoulement à l'intérieur de la couche limite du corps les effets positifs exercés sur la résistance de frottement par une surface du corps non neutre quant à l'oscillation et d'empêcher le cas échéant un décol- lement de l'écoulement, car, comme on le sait, une excitation arnropriée de l'oscillation peut rendre l'écoulement laminaire turbulent, c'est-àdire plus résistant contre le décollement et amener aussi de cette façon de l'énergie à la couche limite turbulente. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on mesure et analyse continuellement par au moins un détecteur ou capteur passîf la grandeur physique d'écoulement à influen- cer telle crue, par exemple, l'amplitude et la phase d'oscilla- tion, la tension de poussée sur la paroi, le degré de turbu- lence, etc et l'on utilise ladite grandeur d 'écoulement comme signal d'entrée dansun circuit de régulation dont la sortie délivre un signal d'oscillation à introduire dans la couche limite par un générateur d'oscillation actif. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon 1 ' itention est caractérisé Dar le fait qu'à l'intérieur de la surface du corps se trouvant dans un écoulement sont disposés un élément détecteur ou capteur passif et au moins un générateur d'oscillation actif qui coopèrent avec un circuit d'analyse et de régulation d'une façon telle qu'à partir d'une grandeur d' écoulement mesurée continuellement par le détecteur ou capteur, ils engendrent à l'intérieur dudit circuit d'analyse et de régu lation une grandeur de réglage qui exerce, à travers le générateur d'oscillation, une influence de la forme voulue sur la couche limite; Dans un mode de réalisation 'Préféré du dispositif selon l'invention, on utilise came détecteurs au capteurs,des capteurs de pression mécaniques, des cristaux piézo-électriques, des capteurs inductifs, des fils chauds, des films chauds ou des organes analogues. Selon d'autres particularités avantageuses possibles de l'invention: on utilise comme générateurs d'oscillation des parties de surface qui oscillenthorizontalement ou verticalement, des champs électromagnétiques, des zones de surface conductrices électriques, des cristaux piézo- électriques, des fils chauds, des films chauds ou d'autres organes analogues; les détecteurs ou capteurs et générateurs coscillatic forment une unité prête à l'insertion de sorte que plusieurs détecteurs ou capteurs et générateurs d'oscillation soient disposés les uns derrière les autres suivant un ordre et un espacement prédéterminés. On va exposer maintenant les principes de base de l'invention. Le bilan énergétique à l'intérieur d'un écoulement à couche limite bidimensionnel se présente en moyenne de la façon suivante pour une période de temps d (u'2 +v'2 U( y) dy =(u'v' d U dy)-1 2 dv - J 2 a_ J du' dy > d |v',' dy (l) o Dans cette équation, les barres transversales désignent chaque fois la moyenne en temps, et les accents aigus des grandeurs variables Parmi les autres désignations: u' est la fluctuation de la vitesse des particules en direction x; vi est la fluctuation de la vitesse des particules en direction y; U (y) est la vitesse principale locale des particules en direction x; p' est la fluctuation de la pression; xy sont des coordonnées cartésiennes;j est la densité du fluide en écoulement, est la viscosité cinéma- tique du fluide; Wiest la fluctuation-de l'intensité de tourbillonnement des particules. Le phénomène essentiel au cours du processus d'ins- tabilité est la production' d'énergie par la tension de Reynolds encompensation de la dissipation visqueuse, production d'énergie représentée dans l'équation ( 1) par le premier terme du membre de droite Ces termes s'expriment de la façon suivante pour des oscillations périodiques 2531 503 Re 'UA 'VA cos () d(u /UO) dy ( 2) LR=JA V O >__ d y () o expression dans laquelle E Re est la production d'énergie par les tensions de Reynolds, UA et VA les valeurs de l'amplitude maximale de u' et v', Ou' l'angle de phase de la fluctuation u', Ov' l'angle de phase de la fluctuation v I. On peut écrire en outre: u' = e UA cos (lx 9) ( 3) A ( 3); v' = e i A cos ( 4 x 5 t- expressions dans lesquellesd =o LT+ 'iest le nombre d'onde complexe, A la fréquence réduite, t le temps. Mais des recherches théoriques montrent qu'à des fréquences d'instabilité amorties le terme-production d'énergie (-u'v'd U/dy) de l'équation ( 1) doit être partiel lement ou totalement négatifà travers la couche limite, d'o il ressort de l'autre côté qu'une production négative d'énergie à travers la couche limite est capable d'amortir de façon effective les oscillations d'instabilité. Il en va de même pour le terme énergie de pression, au demeurant beaucoup plus faible Ep = 2 i PA UA cos ( p) dy ( 4) j A A p u' dans lequel Ep' désigne la production d'énergie par variation de pression, PA la valeur maximale de l'amplitude de pression, 8 ' l'angle de phase de la variation de pres- sion P sion. Dans les deux cas, on reconnaît aussitôt que le signe de la production d'énergie dépend de façon simple de la différence d'angles de phase (O, ), (O u-Q u V u p d'une façon telle qu'une différence angulaire inférieure à W/2 engendre toujours une production d'énergie négative sur la totalité de l'épaisseur de la couche limite. Pour le cas o l'on veut amortir les oscillations d'instabilité, il est prévu, sur la base de l'invention, dans la surface du corps, un générateur d'oscillation approprié, soit pour provoquer sur la paroi une oscillation de particules tangentielle en sorte que l'on ait e u soit pour engendrer une oscillation de pression en sorte il que l'on ait p u O 2 Au cas de l'amplifica- tion artificielle des oscillations d'instabilité jusqu'à la transition _s'applique avec le signe opposé ce que l'on a déjà dit. Pour le cas de l'influencement des particules proches de la paroi dans la couche limite turbulente, on constate un effet avantageux aussi bien sur la tension de poussée sur la paroi que sur le comportement de décollement. Il s'avère en outre que, par exemple en cas de surfaces flexibles, le degré de turbulence dans la couche limite peut s'abaisser sensiblement, ce qui diminue le transfert d'énergie total Dans le cas d'une couche limite turbulente, il est prévvu sur la base de l'invention d'introduire dans ladite couche limite turbulente une oscillation de particules horizontale ou verticale en sorte que le degré de turbulence et par conséquent le frottement contre la paroi diminuent ou que, pour le cas o l'on veut éviter le décollement, le degré de turbulence et par conséquent le transfert d'énergie augmentent. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de trois modes de réalisation pris comme exemple non limitatifs et illustrés schématiquement par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente une combinaison de capteurs et de générateursd'oscillation, en direction d'écoulement, avec des circuits d'analyse et de régulation: la figure 2 représente un dispositif de systèmes de capteui et de générateur d'oscillation perpendiculaire à la direction de l'écoulement; la figure 3 représente un dispositif de systèmes de capteus et de générateursd'oscillation sur la surface d'un profil d'aile porteuse On voit sur la figure 1 un dispositif de capteurs 1,3,4 et de générateursd'oscillation 2 à l'intérieur d'une surface 5 se trouvant dans wm & d Snt et faisant par Ue d'une pièce élémentaire 6 Les références U 0, U(y) et xy désignent respectivement la vitesse de i a-ulcnt libre, la vitesse locale dans la couche limite et les coordonnée cartésiennes. Les données de mesure descapteurssont amenées continuel- lement aux circuits d'analyse et de régulation 7, à partir desquels des signaux de régulation périodiques correspondants agissent sur les générateurs d'oscillation 2 Pour la tâche d'influencer les oscillations d'instabilité dans la couche limite laminaire, la mesure du spectre de fréquence, des amplitudes et de la position de phase des vitesses de fluctuation par les capteurs (sondes à fil ou film chaud, cristaux piézoélectriques ou autres) est indiquée Pour la tâche d'influencer le frottement contre la paroi dans la couche limite turbulente, c'est la mesure du frottement sur la paroi ou du degré de turbulence qui est avantageuse. Dans le circuit d'analyse et de régulation, on analyse pour la couche limite laminaire le signal prédominant des données d'entrée en fréquence, amplitude et position de phase et, sur la base de la différence des signaux avant et après le générateur d'oscillation, on engendre un signal périodique en amplitude, frécuence et phase, et le transmet à travers le générateur d'oscillation à la couche limite, en sorte que l'amplitude de l'oscillation prédominante d'instabilité mesurée par le capteur 3 après le premier générateur d'oscil- lation soit plus petit (dans le cas de l'amortissement), ou plus grand (dans le cas de l'excitation),que l'amplitude que l'on a mesurée avec le capteur i avant le premier générateur d'oscillation Comme générateurs d'oscillation sont envi- sagés des membranes mécaniques, des fils ou films chauds, des générateurs de champ électromagnétiques, des zones de surface conductrices électriques à paroi mince isolées du corps, ou d'autre organes analogues. Pour le cas de la couche limite turbulente, il faut examiner, selon l'application projetée, si l'on trouvera avantage à une analyse de fréquence des signaux de tension de poussée sur la paroi ou de degré de turbulence suivie de l'amortissement ou de l'amplification des fréquences prédominantes par l'apport correspondant d'un signal périodique par le générateur d'oscillation ou à l'influen- cement par un signal de spectre à large bande. L'utilisation prévue sur la figure 1 de deux géné- rateurs d'oscillation en série en direction de l'écoulement améliore l'effet de l'influencement de la couche limite; selon l'application projetée, on peut encore brancher en série plusieurs autres tels systèmes de capteurs et de générateurs d'oscillation Le capteur 3 placé derrière le premier générateur d'oscillation fonctionne en même temps en capteur avant le deuxième générateur et transmet ses données aussi bien au premier qu'au deuxième circuit d'analyse et de régulation Après le dernier générateur d'oscillation est placé un dernier capteur 4 En dehors de la disposition d'un capteur avant et après un générateur d'oscillation, on pourrait aussi concevoir la disposition d'un capteur avant ou après un générateur d'oscillation. La figure 2 donne l'exemple d'une disposition des systèmes de capteurs et de générateurs d'oscillation perpen- diculaire à la direction d'écoulement par rapport à une aile porteuse La lettre z désigne la troisième coordonnée cartésienne Pour s'opposer de façon optimale à une extension en montages russes des oscillations d'instabilité en direc- tion z, il conviendrait de placer les uns à côté des autres e direction z beaucoup de systèmes de tels capteurs et de tels générateurs d'oscillation. La figure 3 représenteun exemple du dispositif de systèmesde capteunset de générateursd'oscillationde fonctions différentes sur un profil d'aile porteuse Dans la zone de la couche limite laminaire 8, lesdits systèmes de capteurs et de générateurs d'oscillation sont établis en sorte que les oscillations d'instabilité qui apparaissent soient amorties et que la transition soit ainsi retardée. 1 O Dans la zone de la couche limite turbulente 9, les systèmes sont établis en sorte que le degré de turbulence et par conséquent la tension de poussée sur la paroi soient minimisés Dans la zone de la couche limite 10 turbulente et soumise au risaue de décollement, ces mêmes systèmes sont établis en sorte que le degré de turbu lence et par conséquent l'apport d'énergie à partir de l'écoulement libre soient augmentés. REVENDICATIONS 1 Procédé d'influencement de la couche limite de corps se trouvant dans un écoulement selon le principede la modifi- cation active du mouvement originel des particules en écoule- ment, ou particules fluides, voisines de la paroi, caractérisé par le fait que lon mesure et analyse continuellement par au moins un détecteur ou capteur passif la grandeur physique d'é- coulement à influencer telle que, par exemplel'amplitude et la phase d'oscillation, la tension de poussée sur la paroile degré de turbulence, etc et l'on utilise ladite grandeur d'écou- lement comme signal d' entrée dans un circuit de régulation dont la sortie délivre un signal d'oscillation à introduire dans la couche limite par un générateur d'oscillation actif. 2 Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication lcaractérisé par le fait qu'à l'intérieur de la surface ( 5) du corps( 6)soumise à l'écoulement, sont disposés au moins un élément détecteur ou capteur passif ( 1,3,4) et au moins un générateur d'oscillation ( 2)qui coopèrent avec un circuit d'analyse et de régulation ( 7) d'une façon telle qu'à partir d'une grandeur d'écoulement mesurée continuellement par le détecteur ou capteur, ils engendrent à l'intérieur dudit circuit d'analyse et de régulation une grandeur de réglage qui exerce à travers le générateur d'oscillation ( 2) une influence de la forme voulue sur la couche limite. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il utilise comme détecteurs ou capteurs des capteurs de pression mécaniques ( 1,3,4), des cristaux piézo- électriques, des capteurs inductifs, des fils ou films chauds ou d'autres organes analogues- 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il utilise comme générateurs d'oscillation dès parties de surface qui oscillent horizontalement ou verti- calement, des champs électromagnétiques, des zones de surface conductrices électriques, des cristaux piézo-électriquesdes fils ou films chauds ou d'autresorganes analogues. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé par le fait que les détecteurs ou capteurs ( 1,3,4, et générateurs d'oscillation ( 2) forment une unité prête à l'insertion en sorte que plusieurs détecteurs ou capteurs et générateurs d'oscillation sont placés les uns derrière les autres suivant un ordre et un espacement prédéterminés.