Brevet FR2555676A1 — publié le 19850531

Procédé pour soumettre la couche limite laminaire détachée à une influence stabilisante L'invention concerne un procédé destiné à modifier la couche limite laminaire détachée, de corps dans un écoulement dans le but de réduire la résistance visqueuse selon le principe de l'aspiration et de l'expulsion par soufflage de la couche-limite. Lors du détachement de couches limites laminaires, la transition turbulente du point de détachement se produit le plus souvent directement vers l'aval en raison de l'instabilité plus grande des profils laminaires de couches-limites qui se sont détachées. La couche limite qui réadhère en aval de la soufflante de détachement devient donc turbulente et présente un frottement contre les parois d'importance correspondante, c'est-à-dire une résistance. Dans le passé, on a tenté de maintenir la zone détachée de l'écoulement sous une forme laminaire, comme cela est déjà d'usage pour la couche limite adhé- rente, par aspiration "normale" de matière inhérente à la couche-limite à travers la surface, jusqu'à atteindre des indices de Reynold très élevés (Hahn & Pfenninger, J. Aircraft, 10 (1973) pp. 618-622). "Normale" signifie ici perpendiculairement par rapport à la tangente locale. Toutefois, ce procédé n'est couronné de succès que si l'aspiration s'effectue directement en amont du déta- chement ou à proximité du point de réadhérence, par contre l'aspiration directe en aval du détachement con- duit à une instabilité plus forte et à une transition plus précoce que l'absence totale d'aspiration. Un autre procédé comportant une expulsion par soufflage dans une zone de détachement laminaire a été décrit dans le bre- vet allemand 30 43 567. Ce procédé conçu prioritairement pour les profils d'ailes porteuses à surface lisse telles que celles d'avions planeurs exploite l'effet selon lequel une très forte expulsion par soufflage d'une zone détachée laminaire devient turbulente d'un seul coup et de ce fait devient plus petite. On obtient ainsi par le rapetissement de la zone détachée rendue turbu- lente un gain en résistance de compression, toutefois il en résulte que la couche limite réadhérente devient turbulente elle aussi et présente donc un frottement contre les parois plus important que la couche-limite laminaire. Par conséquent, le but de la présente invention est de fournir un procédé par lequel une zone détachée lami- naire devient plus petite tout en conservant son carac- tère laminaire et par lequel la longueur d'écoulement laminaire autour du corps devient plus grande. Ce but est atteint par le fait qu'aux points de détachement laminaire de la couche-limite pouvant être prédéterminés, par exemple après des irrégularités de contour sur la surface du corps dans l'écoulement, est prévue au moins une liaison permettant le passage du fluide à l'intérieur du corps, de manière que de la matière de la couche-limite soit aspirée automatiquement depuis une zone à pression statique relativement élevée, qu'elle soit transportée dans la zone a pression stati- que relativement basse directement en aval du détache- ment et que de là, elle soit ré-expulsée par soufflage dans la couche-limite détachée. L'aspiration a lieu de préférence dans une région superficielle immédiatement en amont du détachement. Dans la conduite de liaison, entre le point d'aspi- ration et le point d'expulsion par soufflage est avanta- geusemeht prévue une vanne pour le réglage du débit en continu. L'aspiration et l'expulsion par soufflage s'effec- tuent de préférence sans perturbation de l'écoulement laminaire restant, grâce au fait que les orifices ou la fente sont prévus de dimensions très réduites. Dans une variante du procédé de l'invention, l'aspi- ration s'effectue dans la direction tangentielle et/ou -55676 perpendiculaire par rapport à la surface du corps, les orifices ou la fente pouvant présenter une inclinaison par rapport à la tangente à la surface. Dans une autre variante, c'est l'expulsion par soufflage qui s'effectue dans la direction tangentielle et/ou perpendiculaire par rapport à la surface du corps, les orifices ou la fente pouvant présenter à cette fin une inclinaison par rapport à la tangente à la surface. Cette solution est basée sur la constatation selon l'in- vention qu'une expulsion par soufflage modérée verticale de matière inhérente à la couche-limite, dans la zone de détachement laminaire, peut exercer une influence extrê- mement stabilisante sur les profils de la couche limite, il s'ensuit la possibilité de réadhérence sous forme également laminaire de la couche-limite laminaire déta- chée et l'obtention d'une transition située plus loin en direction aval de l'endroit de cette réadhérence. Le gain de longueur d'écoulement laminaire réalisable grâce au procédé indiqué contribue directement à la réduction de la résistance visqueuse du corps dans l'écoulement. En outre, il en résulte une réduction de la soufflante de détachement laminaire et de ce fait une réduction de la résistance de pression. On va maintenant décrire brièvement le procédé de la présente invention. On connaît depuis longtemps le principe de l'in- fluence exercée sur la couche-limite par aspiration et expulsion par soufflage et ce principe a déjà été appli- qué sur de nombreux exemples de réalisation, principale- ment dans l'industrie aéronautique. Toutefois, on uti- lise l'aspiration de la couche-limite presque exclusive- ment dans le but de maintenir la couche-limite adhérente sous forme laminaire, tandis que dans la plupart des cas, l'expulsion par soufflage est destinée à réduire le détachement de la couche-limite turbulente. Cependant, lors de l'analyse théorique de l'effet exercé par l'aspi- ration et l'expulsion par soufflage sur les profils de vitesse de la couche-limite de forme laminaire dans les zones de détachement, il est apparu que, contrairement à ce qui se passe dans les couches limites adhérentes, l'aspiration normale de matières inhérentes à la couche- limite a pour effet de déstabiliser fortement les profils de vitesse de couches-limites détachées eu égard à la transition. De même, il apparait que, l'application de l'expulsion par soufflage "normale", qui sur des couches- limites adhérentes aurait normalement pour conséquence une transition immédiate, présente inversement un fort effet stabilisateur sur le comportement de transition. Lors d'un détachement de la couche limite faisant suite à des perturbations du contour telles que par exem- ple des bossages dans la tôle, des câbles, des têtes de rivets, etc., il se produit toujours une zone à faible pression négative par rapport à la pression statique de l'écoulement libre directement en aval du point de déta- chement. Un soufflage stabilisateur de la couche-limite détachée laminaire peutdonc se produire automatiquement par cette seule différence de pression, pour autant que la matière de couche-limite expulsée par le soufflage provienne d'une zone à pression plus élevée que celle qui règne directement en aval du point de détachement. La perte de quantité de mouvement provoquée par la déviation de la matière inhérente à la couche limite est de grandeur négligeable compte tenu du faible niveau des masses en mouvement et des vitesses par rapport à la diminution de la résistance visqueuse ainsi obtenue. Un point approprié pour le prélèvement (aspiration) de la matière inhérente à la couche-limite est constitué par une région immédiatement en amont du point de déta- chement, car en cet endroit, l'effet d'aspiration permet d'obtenir un gain supplémentaire de stabilité en raison de la présence de couche-limite laminaire encore adhé- rente. Les orifices d'aspiration et d'expulsion par souf- flage auront des dimensions de préférence faibles, de telle sorte que la rugosité superficielle produite ne puisse pas exercer d'effet déstabilisateur sur la couche- limite. Pour maintenir aussi bas que possible l'effet déstabilisateur provoqué par la formation de turbulences éventuelles produites lors de l'expulsion par soufflage et s'exerçant sur les oscillations d'instabilité dans la couche-limite ainsi détachée, il est possible de monter une vanne de réglage permettant de régler en continu le débit- masse dans la conduite entre le point d'aspiration et le point d'expulsion par soufflage. De même, il faudra prévoir avant l'expulsion par soufflage un élargissement de la conduite servant de chambre de stabilisation. L'invention est représentée à l'aide du dessin annexé. Sur ce dessin la figure 1 est une représentation schématique du circuit de tuyauteries entre le point d'aspiration et le point d'expulsion par soufflage, basée sur l'exemple d'un échelon orienté vers l'arrière dans la couche- limite laminaire; et la figure 2 représente un graphe caractéristique des pressions sur la surface du corps dans le cas de l'écoulement représenté sur la figure 1. Sur la figure 1 est représenté un détachement lami- naire typique sur le contour, dans la direction aval d'un échelon 1 bidimensionnel orienté vers l'arrière sur un corps 5 dans un écoulement. Dans la direction aval de l'échelon de hauteur h se forme en direction x une bulle de détachement laminaire qui est caractérisée par ses lignes de flux fermées ' = const. alors que dans la direction amont de l'arête de l'échelon représentant le point de détachement, le profil laminaire de la couche- limite U (y) symbolise une couche-limite adhérente, le profil de la couche limite présente vers l'aval de l'arê- te de l'échelon, dans la zone des parois, des composantes de vitesse orientées dans le sens contraire du flux principal UO et présente donc un comportement de déta- chement. Sur ce dessin U désigne la vitesse de l'écou- o lement libre et U(y) la vitesse locale en direction x à l'intérieur de la couche-limite. L'aspiration est réalisée par de petites ouvertures pratiquées sur la surface 6 du corps en un point 4 immédiatement en amont du détachement, la matière de couche-limite absorbée étant en même temps transportée à travers le circuit de tuyauteries 2 en passant par une vanne 7, vers le point d'expulsion par soufflage 3 immédiatement en aval du détachement, par l'effet de la chute de pression ACp. Le diamètre des orifices 6 se situe aux environs de 50 à 100 pm pour les vitesses habituelles. Dans ce cas, Cp signifie le coefficient de pression sans dimension (Px-Po)/q, ot Px est la pression statique locale de l'écoulement libre et q la pression dynamique de l'écou- lement libre. Avant l'expulsion par soufflage, la matiè- re de la couche limite est conduite dans une chambre de stabilisation 8 et de là elle est expulsée par soufflage dans la bulle de détachement. La figure 2 représente dans un diagramme sans dimen- sion, l'allure typique des pressions qui se produisent dans le cas de l'écoulement illustré sur la figure 1, exprimée par le coefficient de pression Cp, l'axe des x représentant la hauteur des échelons. On constate que, à courte distance avant le détachement pour x/h = 0 la pression s'abaisse par rapport à la valeur de l'écoule- ment libre, jusqu'à atteindre une valeur minimale ACp située entre la pression avant l'échelon et la pression derrière l'échelon. Plus loin, en aval, la pression remonte pour devenir à nouveau égale à la pression sta- tique de l'écoulement. La différence de pression ACp peut donc être exploitée directement pour réaliser l'expulsion par soufflage en aval de l'échelon. REVENDICATIONS 1. Procédé pour exercer une influence sur des couches-limites détachées laminaires decorps dans un écoulement, afin d'entrainer la diminution de la résis- tance visqueuse selon le principe de l'aspiration et de l'expulsion par soufflage de la couche-limite, caracté- risé par le fait qu'aux points de détachement laminaire de la couchelimite pouvant être prédéterminés, par exemple après des irrégularités de contour sur la surface du corps (1) dans l'écoulement, est prévue au moins une liaison (2) permettant le passage du fluide à l'intérieur du corps (5), de manière que de la matière de la couche- limite soit aspirée automatiquement depuis une zone à pression statique relativement élevée (4), qu'elle soit transportée dans la zone (3) à pression statique relati- vement basse directement en aval du détachement et que de là, elle soit ré-expulsée par soufflage dans la couche-limite détachée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'aspiration a lieu dans une région superficielle immédiatement en amont du détachement. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, carac- térisé par le fait que dans la conduite de liaison (2) entre le point d'aspiration et le point d'expulsion par soufflage est prévue une vanne pour le réglage du débit en continu. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'aspiration et l'expulsion par soufflage s'effectuent sans perturbation de l'écoulement laminaire restant, les orifices ou la fente (6) étant prévus de dimensions très réduites. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que l'aspiration s'effec- tue dans la direction tangentielle et/ou perpendiculaire par rapport à la surface du corps, les orifices ou la fente (6) pouvant présenter une inclinaison par rapport à la tangente à la surface. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'expulsion par souf- flage s'effectue dans la direction tangentielle et/ou perpendiculaire par rapport à la surface du corps, les orifices ou la fente (6) pouvant présenter à cette fin une inclinaison par rapport à la tangente à la surface.