Brevet FR2545550A1 — publié le 19841109

Procédé et dispositif pour exercer une influence sur la couche limite d'un corps soumis à des fluctuations d'écou- lement principalement stochastique. La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour exercer une influence sur la couche limite de corps sur lesquels a lieu l'écoulement d'un fluide On exerce une influence sur l'écoulement au moyen d'uneintroduc- tion délibérée et contrôlée de signaux vibratoires dans la couche limite en se basant sur les mesures effectuées à la surface du corps. Dans le brevet RFA 32 28 939 il est indiqué que grâce à l'utilisation d'un système de capteurset d'émetteurs de vibrationzdans la surface d'un corps sur lequel a lieu un écoulement, il est possible d'amortir ou d'amplifier cer- taines vibrations dans la couche limite L'écoulement est mesuré et analysé en fonction de la fréquence, de la phase et de l'amplitude et, en se basant sur cette analyse, on fournit un signal à un émetteur de vibrations de manière que, de façon sélective, la fluctuation initiale des vibrations dans l'écoulement soit amortie ou bien amplifiée. Un dispositif tel que celui décrit dans le brevet RFA ci-dessus ne peut pas être utilisé de façon satisfaisante dans le cas de fluctuations stochastiques d'écoulement, étant donné que son efficacité est limitée aux fluctuations d'écou- lement périodiques principalement prédominantes et non pas aux fluctuations d'écoulement stochastiques Dans les fluctuations d'écoulement périodiques, on ne peut exercer l'influence di- recte qu'à un endroit autre que celui o l'on prend la mesure. Ce dispositif est inefficace dans les fluctuations d'écoulement stochastiques lorsque la distance entre l'élément de détection et l'émetteur de vibrationsest plus grande que la moitié de la longueur d'onde des vibrations à amortir ou amplifier Pour influencer directement les vibrations ou fluctuations d'écou- lement stochastiques, il faut exercer cette influence à l'en- droit o sont prises les mesures. C'est pourquoi l'objet principal de la présente invention est d'exercer une influence d'une façon active sur lessignaux mesurés en se basant sur la fluctuation d'écoule- ment stochastique de manière que les fluctuations puissent être amorties ou amplifiées Dans un mode de réalisation, on peut exercer une influence sur la fluctuation à l'endroit o les mesures sont exécutées de manière que l'on puisse effectuer une réduction ou résistance au frottement pour obtenir une réduction de la tendance à la séparation de l'écou- lement. Dans un autre mode de réalisation, la fluctuation d'écoulement principalement stochastique peut être transfor- méeen une fluctuation périodique avant que l'opération d'amor- tissement ou d'amplification soit effectuée. Selon la présente invention, une fluctuation d'écoulement stochastique dans la couche limite d'un corps, conformément à l'analyse de Fourier, est formée de vibrations de différentes fréquences mais ces vibrations ne présentent pas une phase fixe les unes par rapport aux autres Par consé- quent, une superposition directe du signal stochastique à une vibration périodique pourrait, au plus, produire une amplifica- tion mais non pas un amortissement de certaines parties de fréquence du signal total En conséquence, l'influence directe du signal stochastique doit être effectuée de façon périodique dans la même direction de déplacement ou dans le direction de déplacement opposée par rapport au signal initial de manière que,pour un amortissement de vibration en un point A pendant l'intervalle de temps nt, la valeur instantanée de l'amplitu- de la vibration ainsi que son augmentation soient mesurées et que les mesures soient fournies à un dispositif de commande o un signal antagoniste est engendré au cours de la même période de temps et se superpose à la vibration initiale afin que l'augmentation d'amplitude du signal initial soit contre- carrée au cours du même intervalle ou période de temps Du fait que le signal est stochastique, on voit immédiatement que la superposition de la vibration ne peut être effectuée à l'endroit même o la mesure est prise car la relation cesse si la superposition de vibrations est effectuée à un endroit différent de celui o la mesure est effectuée en raison de la fonction de phase absente. Pour l'exécution pratique, il est nécessaire que la fréquence de commande soit à peu près trois à dix fois plus grande que la fréquence la plus élevée à amortir et que la dimension de la tête de l'émetteur de vibrationssoit plus petite que la moitié de la longueur d'onde de la vibration à amortir. Dans la mise en oeuvre de la caractéristique de commande, il convient d'observer que le signal de commande mesuré dans un capteur combiné à un émetteur de vibrationsest le résultat de la différence des amplitudes des signaux mesu- rés par le capteur moins l'amplitude du signal appliqué anté- rieurement par l'émetteur de vibrations En outre, pendant l'analyse de la fréquence reçue du capteur, une fréquence ayant l'amplitude la plus élevée apparaît pendant une fluctua- tion d'écoulement stochastique dans la couche limite, par exemple pendant un écoulement turbulent, une superposition de vibrations, ou une instabilité de la couche limite et ceci indique que la couche limite a une tendance à recevoir parti- culièrement bien une énergie dans cette bande de fréquence. Si un signal périodique de faible amplitude ayant cette fré- quence prédominante est superposé au signal stochastique, il se produit un transfert d'énergie des fluctuations stochasti- ques de cette fréquence vers la vibration périodique de telle sorte que la vibration périodique se trouve amplifiée aux dépens de la partie de fréquence stochastique Grâce à l'influence de phase opposée de la vibration périodique 4 -2545550 amplifiée, on peut amortir la vibration périodique et éliminer une partie de-l'énergie transférée à partir de la fluctuation stochastique et on réduit l'amplitude de la partie de fré- quence antérieurement prédominante des fluctuations stochas- tiques. Dans le procédé pour exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement d'un fluide en faisant subir une variation active au mouvement d'écoulement initial du fluide dans la couche limite par la 0 I production programmée et commandée de signaux vibratoires dans cette couche limite, on détecte continuellement les fluctuations d'écoulement stochastiques du fluide -à l'aide d'un capteur placé dans la surface du corps à l'endroit de la couche limite, on envoie des signaux représentant les fluc- tuations d'écoulement à un analyseur, on analyse les signaux en ce qui concerne la fréquence, la phase et l'amplitude de l'écoulement dans la couche limite, on engendre un signal basé sur l'analyse en vue de l'amortissement ou de l'amplifica- tion du mouvement d'écoulement initial du fluide, on dirige les signaux sur un émetteur de vibrations placé sur la couche limite et on introduit une vibration basée sur le signal dans l'écoulement de fluide en un point adjacent à l'endroit o on effectue la détection continue. Selon une caractéristique du procédé, on introduit la vibration dans la couche limite exactement à l'endroit même o on effectue la détection continue. -Selon une autre caractéristiques du procédé, on introduit la vibration dans la couche limite pendant un inter- valle de temps donné au cours duquel est effectuée la détec- tion. Selon une autre catactéristique encore du procédé, la vibration introduite dans la couche limite est amplifiée sous la forme d'un signal périodique. Selon une autre caractéristique encore du procédé, on introduit la vibration dans la couche limite sous la forme 2545550 d'un signal périodique de même fréquence et d'amplitude plus petite, on mesure la fréquence et la phase dans la couche limite à un endroit situé en aval de l'endroit o est intro- duite la vibration, on analyse les mesures relevées à l'enr- droit situé en aval et on introduit dans la couche limite une vibration ayant la même fréquence et dont la phase est décalée de telle sorte que le signal périodique ayant la fréquence prédominante ait une amplitude minimale. Le dispositif selon la présente inventiondestiné à exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement d'un fluide en faisant subir une variation active au mouvementd'écoulement initial du fluide par une introduction programmée et commandée de si- gnaux vibratoires dans cette couche limite, comprend un ensem- ble combiné de capteur et d'émetteur de vibrationsplacés dans la surface du corps à l'endroit de la couche limite, et un circuit de commande d'analyseur connecté audit ensemble de capteur et d'émetteur de vibrations ledit ensemble étant disposé dans la surface du corps et occupant le même espace. Le dispositif selon la présente invention destiné à exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement stochastique d'un fluide com- prend, dans une variante, un premier ensemble disposé dans la surface du corps à l'endroit de la couche limite-, ledit pre- mier ensemble comprenant un premier capteur, un premier analyseur connecté audit premier capteur, et un premier émet- teur de vibration connecté audit analyseur en vue d'in- troduire dans l'écoulement de fluide une vibration basée sur le signal déterminé parla fréquence prédominante de l'écoulement de fluide stochastique fourni audit analyseur, un-second en- semble disposé dans la surface du corps à l'endroit de la cou- che limite et placé en aval dudit premier ensemble dans le sens d'écoulement du fluide, ledit second ensemble comprenant un second capteur pour mesurer la fréquence et la phase d'écou- lement du fluide en aval dudit premier ensemble, un second analyseur connecté audit second capteur pour analyser le signal provenant dudit second capteur, un second émetteur de vibrationsconnecté audit second analyseur pour intro- duire dans l'écoulement de fluide un vibration identique à celle déterminée par ledit second capteur, cette vibration étant décalée en phase de telle sorte que l'amplitude du signal périodique de la fréquence prédominante soit minimale, et un troisième capteur connecté audit second analyseur pour mesurerl'écoulement du fluide en aval dudit second émetteur de vibrations. Selon'une caractéristique de cette variante, lesdits capteurs comprennent au moins un diaphragme mécani- que, un fil métallique chaud, une pellicule chaude et un cristal piézoélectrique. Selon une autre caractéristique de la variante ci-dessus, l'émetteur de vibration comprend au moins un cristal piézoélectrique et un diaphragme de mesure de dila- tation analogue à une bande. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure I est une représentation schématique d'un système capteur émetteur de vibrations et d'une boucle de commande selon la présente invention; la figure 2 est une représentation graphique de la commande effectuée pour obtenir un amortissement de vibration et la figure 3 est une vue schématique d'un système de capteurs et d'émetteurs de vibrations selon la présente in- vention. Sur la figure 1, une combinaison "capteur 1 - émetteur 2 de vibration est représentée dans la surface 4 d'un corps contre lequel un fluide s'écoule à une vitesse d'écoulement U O La direction de coordonnée Y est perpendicu- laire à la surface 4 et la vitesse locale U (y) est la vitesse dans la direction d'écoulement au sein de la couche limite. Une valeur d'écoulement de la variable stochastique est mesurée continuellement dans le capteur 1 et le signal est transféré au circuit 3 de commande d'analyseur et est analyse dans ce circuit Le circuit de commande 3 contrôle l'amplitude et les différentiations par rapport au temps de l'amplitude dansinne période ou intervalle de temps At Dans le circuit de commande 3, un signal présentant une augmentation d'amplitude qui est la même dans le cas d'une amplification de vibration et qui est opposéedans le cas d'un amortissement est fourni à l'émet- teur 2 de vibrations et est introduit dans la couche limite à l'endroit même o les mesures sont effectuées par le capteur 1. Par conséquent, pour un amortissement de vibration dans la couche limite de transition ou couche limite turbulente, il est possible de réduire la dissipation due à la viscosité à l'en- droit de la paroi et, de ce fait, la résistance au frottement. Pendant l'amplification de vibration, une turbulence prématurée et un apport d'énergie ont lieu dans la couche limite turbulen- te et la tendance à la séparation se trouve nettement réduite. 8 2545550 Sur la figure 2, on a donné une illustration graphique de la commande antagoniste simple pour effectuer un amortissement de vibration, seule la première différentiation du signal d'amplitude en fonction du temps t étant utilisée. On pourrait aussi utiliser une commande avec des différentia- tions d'ordresplus élevées Au début de l'intervalle de temps AÄ t qui doit être choisi de manière à être suffisamment petit pour comprendre les pics et les vallées du signal stochastique mesuré avec une précision suffisante comme représenté dans la partie a de la figure 2, l'amplitude A et la première dif- féren tiation par rapport au temps de l'amplitude d A/dt sont déterminées dans le circuit de commande d'analyseur et un signal antagoniste représenté dans la partie b de-la figure 2 est engendré, ce signal antagoniste étant composé de A la différentiation par rapport au temps du signal mesuré au- début de l'intervalle de temps ât Le facteur M est un facteur de commande proportionnel déterminé à partir du type de comman- de, de la mesure et de l'effet L'addition du signal mesuré, à savoir la partie a de la figure 2, et du signal antagoniste, à savoir la partie 2 b de la figure 2, donne une courbe d'am- plitude sensiblement plus régulière sur l'intervalle de temps que celle obtenue à partir du signal initial mesuré Pour obte- nir une amplification, le facteur e dans l'équation ( 1) aurait un signe négatif. Sur la figuré 3, on a représenté un système compre- nant un capteur 1,-un circuit 2 de commande d'analyseur et un émetteur 3 de vibrations placé en amont par rapport au système comprenant un émetteur 4 de vibrations, des capteurs 5, 6 et un circuit 7 de commande d'analyseur destiné à effectuer un amortissement de vibration dans la couche limite au-dessus de la surface 8 d'un corps contre lequel l'écoulement d'un fluide a lieu à une vitesse d'écoulement UJ La courbe de vibrations représentée schématiquement au-dessus des deux systèmes illus- tre la forme initiale de la courbe et la forme résultant des vibrations appliquées A désigne l'amplitude de la fluctuation et t désigne le temps Le capteur 1 mesure le signal de fluc- tuation stochastique formé de plusieurs fréquences Dans le circuit 2 de commande d'analyseur, le signal est contrôlé en ce qui concerne la fréquence prédominante et un signal pério- dique ayant la même fréquence et une amplitude plus petite est alors engendrée et introduit dans la couche limite par l'in- termédiaire de l'émetteur 3 de vibrations A un endroit situé en aval, l'amplitude simulée de la vibration périodique ainsi que la fréquence et la position de phase de cette dernière sont mesurées par un capteur 5, le signal mesuré est analysé dans le circuit 7 de commande d'analyseur et un signal iden- tique est introduit dans la couche limite par l'émetteur 4 de vibrations Le signal est décalé en phase de manière telle que l'amplitude du signal périodique de la fréquence prédominante, signal qui est mesuré par le capteur 6, soit minimale. Pour obtenir une amplification voulue, on peut utiliser le même agencement de telle sorte que le circuit de commande d'analyseur introduise dans la couche limite un signal dont la phase est décalée de telle manière que la fluctuation mesurée dans la capteur 6 ait une amplitude amximale. D'autres montages en série du capteur 1 et de l'émetteur 3 de vibrationssont envisageables. Bien que les modes de réalisation spécifiques de l'invention aient été représentés et décrits de façon détaillée pour illustrer l'application di concept inventif, il est bien entendu que des variantes ou des modifications peuvent être apportées dans la cadre de la présente invention. 2545550 REVENDI CATIONS 1 Procédé pour exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement d'un fluide en faisant subir une variation active au mouvement d'écoule- ment initial du fluide dans la couche limite par introduction programmée et commandée de signaux vibratoires dans la couche limite, le procédé susvisé étant caractérisé par le fait que l'on détecte continuellement les fluctuations d'écoulement stochastiquesdu fluide à l'aide d'un capteur ( 1) plac 6 dans la surface ( 4) du corps à l'endroit de la couche limite, on envoie des signaux représentant les fluctuations d'écoulement à un analyseur ( 3), on analyse les signaux en ce qui concerne la fréquence, la phase et l'amplitude de l'écoulement dans la couche limite, on engendre un signal basé sur l'analyse en vue de l'amortissement ou de l'amplification du mouvement d'écou- lement initial du fluide, on dirige les signaux sur un émetteur ( 2) de vibrations placé sur la couche limite, et on introduit une vibration basée sur le sigil dans l'écoulement de fluide en un point adjacent à l'endroi't o l'on effectue la détection continue. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on introduit la vibration dans la couche limite exactement à l'endroit méIhe o l'on effectue la détec- tion continue. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on introduit la vibration dans la couche limite pendant un intervalle de temps donné au cours duquel est effectuée la détection. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la vibration introduite dans la couche limite est amplifiée sous la forme d'un signal périodique. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on introduit la vibration dans la couche limite sous la forme d'un signal périodique de même fréquence et d'amplitude plus petite, on mesure la fréquence et la phase dans la couche limite à un endroit situé en aval de l'endroit o est introduite la vibration, on analyse les mesures relevées à l'endroit situé en aval et on introduit dans la couche limite une vibration ayant la même fréquence et dont la phase est décalée de telle sorte que le signal périodique ayant la fréquence prédominante ait une amplitude minimale. 6 Dispositif pour exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement d'un fluide en faisant subir une variation active au mouve- ment d'écoulement initial du fluide par une introduction programmée et commandée de signaux vibratoires dans la couche limite, le dispositif susvisé étant caractérisé par le fait qu'il comprend un ensemble combiné de capteur ( 1) et d'émetteur ( 2) de vibrationsplacé dans la surface ( 4) du corps à l'endroit de la couche limite, un circuit ( 3) de commande d'analyseur connecté audit ensemble de tapteur ( 1) et d'émetteur ( 2) de vibration qui est disposé dans la sur- face du corps et qui occupe le même espace. 7 Dispositif pour exercer une influence sur la couche limite d'un corps sur lequel est dirigé l'écoulement stochastique d'un fluide caractérisé par le fait qu'il com- prend un premier ensemble disposé dansla surface du corps à l'endroit de la couche limite, ledit premier ensemble compre- nant un premier capteur, un premier analyseur connecté audit premier capteur, et un premier émetteur de vibrationsconnecté audit analyseur en vue d'introduire dans l'écoulement de fluide une vibration baséesur le signal déterminé par la fré- quence prédominante de l'écoulement de fluide stochastique fournie audit analyseur, un second ensemble disposé dans la surface du corps à l'endroit de la couche limite et placé en aval dudit premier ensemble dans le sens d'écoulement du fluide, ledit second ensemble comprenant un second capteur pour mesurer la fréquence et la phase de l'écoulement du fluide en aval dudit premier ensemble, un second analyseur connecté audit second capteur pour analyser le signal prove- nant dudit second capteur, un second émetteur de vibrations il connecté audit second analyseur pour introduire dans l'écoulement de fluide une vibration identique à celle déter- minée par ledit second capteur, cette vibration étant décalée en phase de telle sorte que l'amplitude du signal prédiodique de la fréquence prédominante soit minimale, et un troisième capteur connecté audit second analyseur pour mesurer l'écou- lement du fluide en aval dudit second émetteur de vibrations. 8 Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que lesdits capteurs comprenne au moins un diaphragme mécanique, un fil métallique chauffé, une pellicule chauffée et un cristal piézoélectrique. 9 Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé par le fait que ledit émetteur de vibration comprend au moins un cristal piézoélectrique et un diaphragme de mesure de dilatation analogue à une bande.