Brevet FR2573138A1 — publié le 19860516

"Surface d'un corps présentant, en milieu turbulent, une résistance réduite à l'écoulement" L'invention concerne une surface d'un corps présentant, en milieu turbulent, une résistance réduite à l'écoulement et comportant, dans le sens de l'écoulement, des rainures, qui sont séparées les unes des autres par des nervures à arêtes vives. Par une pareille surface, qui n'est pas lisse, on entend un pro- fil tridimensionnel et/ou un dispositif de surface. Une surface du type indiqué plus haut est connue par le "AIAA paper n 83-0227, Bushnell, D.M. "Turbulent drag reduc- tion for external flows". On y prévoit, dans le sens de l'écou- lement, des fines rainures longitudinales, qui sont séparées les unes des autres par l'intermédiaire de nervures à arêtes vi- ves et réduisent ou même empêchent un écoulement transversal. Il en résulte une surface offrant peu de résistance en cas d'écou- lement turbulent entourant le corps. Par J. Fluid Mech. (1967), 30, pp 741 à 773, Kline, S.J., Reynolds, W.C., Schraub, F.A., Runstadler, P.W. "The struc- ture of turbulent boundary layers", on sait que la couche la plus inférieure, proche de la paroi, d'une couche limite turbu- lente, donc la couche inférieure "visqueuse", présente, dans le sens de l'écoulement, des bandes de vitesse réduite, qu'on peut appeler "bandes lentes". Les"bandes lentes" sont soulevées de temps en temps dans la zone de vitesse élevée. Ce mécanisme est un constituant essentiel de l'échange turbulent d'impulsions et il produit la forte résistance à l'écoulement d'une couche limite turbulente. Si on comprend les "bandes lentes" comme un écoulement secondaire à proximité de la paroi, écoulement provoqué par la répartition changeante de pression dans la couche limite, les dispositions pour réduire la résistance à l'écoulement devraient viser à empêcher la formation des "bandes lentes" ou à l'éviter. Sur la figure 1, on a schématisé le processus de formation des Z573138 "bandes lentes". On a représenté une surface d'un corps soumise à un écoulement turbulent, en supposant que les profils de vi- tesse indiqués se réalisent à un moment donné. Dans une zone de bassespressions,du fluide lent, qui s'écoule le long de la surface du corps, est aspiré et il se crée un écoulement trans- versal, à la suite duquel la bande lente se retrouve. Il est même possible que cette bande lente soit soulevée vers le haut et entre donc dans la zone de plus grande vitesse, de sorte qu'il se produit un échange d'impulsions, qui a un effet spécialement nuisible sur la résistance à l'écoulement. De plus, la réparti- tion de la vitesse sur une "bande lente" est spécialement insta- ble: c'est une source de fortes variations, qui maintiennentla turbulence de la couche limite. Les rainures longitudinales fi- nes connues peuvent empêcher l'écoulement transversal, qui en- traîne la formation des "bandes lentes". Plus les arêtes des nervures qui sont entre les rainures sont vives et meilleur est l'effet. De cette façon on peut déjà atteindre une réduc- tion de la résistance d'environ 8 %. Le but de l'invention est de réduire encore la résis- tance à l'écoulement d'une surface d'un corps soumis à une tur- bulence, aveC les caractéristiques indiquées plus haut. Ceci est atteint suivant l'invention en ce que la sur- face est composée d'un grand nombre d'éléments individuels, qui présentent, sur leur côté tourné vers l'écoulement, les nervures et les rainures; que les éléments individuels sont disposés et/ ou réalisés les uns par rapport aux autres de manière à ce que soient créées des fentes sur le côté tourné vers l'écoulement et que ces fentessoientreliées entre elles par des canaux dis- posés au-dessous de la surface des éléments individuels tournés vers l'écoulement. L'invention exploite ainsi habilement la dif- férence de pressions pour réduire la résistance à l'écoulement, qui est inévitable dans un écoulement tourbillonnant et qui est la cause de la formation des "bandes lentes". Cela a pour con- séquence, en combinaison avec les fentes, que, dans des zones de basseSpressios, il se produit une expulsion de fluide dans le sens de l'écoulement, exactement là o une bande lente se formerait. Par contre, dans des zones de pressions plus fortes, du fluide est aspiré par les fentes. Pour que la différence de pressions puisse agir de la manière décrite, les fentes sont re- liées entre elles par les canaux. Les fentes sont de préférence perpendiculaires ou obli- ques par rapport au sens d'écoulement et elles sont reliées aux rainures. Les rainures empêchent l'écoulement transversal à la surface. L'expulsion du fluie est due à la disposition des fen- tes perpendiculairement ou obliquement par rapport au sens d'écou- lement. La zone des liaisons au-dessous de la surface doit être assez grande pour qu'il se forme une différence de pression suffisant à l'expulsion de l'air. Les canaux sont surtout parallèles au sens d'écoule- ment ainsi que perpendiculaires à ce sens, pour permettre l'équi- librage des pressions dans tous les sens nécessaires. Les éléments individuels peuvent être arrondis sur leur face avant, opposée au sens de l'écoulement, à la transi-- tion entre les fentes et les nervures et/ou les rainures, tan- dis que les rainures sont à arêtes vives dans le sens de l'écou- lement, sur les fentes. Il en résulte une expulsion de l'air dans le sens de l'écoulement, avec de faibles pertes de pression. La largeur des rainures et des fentes est dimension- née suivant l'épaisseur de la couche inférieure "visqueuse" de la couche limite. Ces dimensions sont normalement très petites. Dans de nombreux cas, la dimension de la couche inférieure vis- queuse ne varie guère dans le sens de l'écoulement, de sorte que, dans ces cas-là, on peut utiliser des dimensions constan- tes pour la largeur des rainures et des fentes. Pour la disposition des canaux destinés à l'équili- brage des pressions sous la surface, le spécialiste a plusieurs possibilités. On peut prévoir ici, des trous, des traversées, des évidements ou encore des entailles disposées sur le dessous. On peut aussi raccorder, en plus,les canaux à une source de pression aspirante ou refoulante, qui peut fonctionner d'une manière intermittente ou continue. Par suite de cette ex- pulsion ou aspiration forcée d'air par l'intermédiaire des fen- tes, en plus d'une réduction supplémentaire de la résistance, le décollent de l'écoulement peut être empêché, par exemple sur une demi- voilure d'avion. Ilest aussi possible, quand le corps est entouré d'un écoulement d'eau, de prévoir sur les canaux un dispositif pour introduire des additifs en polymères. De pareils additifs en polymères, qui ont un comportement semblable à celui de la colle de poisson, entraînent une réduction de la résistance à l'écou- lement dans l'eau. Par suite de l'introduction des additifs en polymères, par l'intermédiaire des fentes de la surface, dans le fluide s'écoulant autour du corps, l'additif est expulsé exactement aux endroits de l'écoulement o il est spécialement stabilisant. Cela permet aussi de réduire la consommation en additifs en polymères. Enfin il est encore possible, en liaison avec la pré- sente invention, de prévoir, dans la couche limite de l'écoule- ment, un ou plusieurs ailerons connusdestinés au redressement de la turbulence et qui contribuent aussi à la réduction de la résistance à l'écoulement. L'invention va être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution préféré, représenté sur les dessins annexés; sur ces dessins: la figure 1 représente un schéma de la formation des "bandes lentes" à la surface d'un corps soumis à un écoulement tourbillonnant; la figure 2 représente une perspective d'un élément individuel, qui est placé dans un grand nombre [d'éléments sem- blables] disposés les uns à côté des autres en forme de nappe et formant la nouvelle surface; la figure 3 représente une vue de dessus d'une pareille surface; la figure 4 représente une coupe suivant IV-IV de la figure 3; la figure 5 représente une vue de dessus de la surface, comparable à celle de la figure 3, mais disposée obliquement et la figure 6 représente une vue de dessus de la surface, comparable à celle de la figure 3, mais croisée. Sur la figure 1 on a représenté un élément d'une surface extérieure lisse 1 d'un corps soumis à un écoulement turbulent dans le sens d'une flèche 2. On suppose qu'il en résulte les profils de vitesses représentés. Dans une zone de faiblespres- sions,il se produit un écoulement transversal, c'est-à-dire un décalage du sens d'écoulement perpendiculaire au sens de la flèche 2, de sorte que se crée une bande lente, qui agit sur le profil de vitesse.La surface extérieure lisse 1 peut être la peau ou tôle extérieure métallique d'un avion. Pour réduire la résistance à l'écoulement, l'invention prévoit un grand nombre d'éléments individuels 3, dont l'un est représenté sur la figure 2. Chaque élément individuel 3 présen- te, sur sa surface tournée vers l'écoulement, un grand nombre de nervures 4, qui forment entre elles des rainures 5, s'éten- dant parallèlement au sens de l'écoulement suivant la flèche 2. Au-dessous de la surface ainsi formée, chaque élément indi- viduel possède par exemple un évidement transversal 7 ainsi que des trous 8, qui se raccordent les uns aux autres. Groupés, plusieurs éléments individuels 3 forment donc des canaux9qui se raccordent entre eux et qui s'étendent dans le sens de l'écou- lement suivant la flèche 2 ainsi que perpendiculairement à ce sens, au-dessous de la surface des éléments individuels 3. Ces ca- naux 6 servent à l'équilibrage des pressions. Un grand nombre des éléments représentés sur la fi- gure 2 est collé, comme le montrent par exemple les figures 3 et 4, sur la peau extérieure lisse 1, de sorte qu'il est créé, dans la surface des éléments individuels, un grand nombre de fentes 9, àtavfëquelles du fluide provenant de l'écoulement peut pénétrer dans les canaux 6 ou, provenant des canaux 6, sor- tir dans l'écoulement. S'il s'agit d'une zone de bassespressions, du fluide va sortir dans l'écoulement. S'il s'agit d'une zone de hautespressions du fluide provenant de l'écoulement va en- trer dans les canaux 6. L'équilibrage des pressions se fait au- dessous de la surface des éléments individuels qui est tournée vers l'écoulement. Les fentes 9 sont disposées de manière à être en liaison avec les nervures 4 et les rainures 5. Les élé- ments individuels possèdent sur leur côté tourné vers l'écoule- ment, sur les nervures 4, des arrondis 10, tandis que, spécia- lement sur leurs extrémités arrière, on prévoit des endroits à arêtes vives 11. Par ailleurs les nervures 4 sont aussi à arêtes vives sur leur longueur dans le sens de l'écoulement 2. Les éléments individuels ne doivent pas être absolu- ment perpendiculaires, c'est-à-dire dressés à 90 , par rapport au sens de l'écoulement suivant la flèche 2. Des dispositions obliques suivant les figures 5 et 6 sont aussi possibles sans difficulté et judicieuses, les éléments individuels mis en oeuvre étant alors disposés en conséquence. La surface pourrait aussi être fabriquée par le fait qu'on souderait sur une nappe de matière plastique des profilés de matière plastique laminés, semblables aux éléments indivi- duels de la figure 2. Les trous 8 des canaux 6 peuvent aussi se remplacer par des entailles pratiquées sur le dessous des élé- ments individuels. De pareilles nappes de matière plastique se changent facilement en cas de détérioration. REVENDICATIONS 1. Surface d'un corps présentant, en milieu turbulent, une résistance réduite à l'écoulement et comportant,dans le sens de l'écoulement, des rainures, qui sont séparées les unes des autres par des nervures à arêtes vives, caractérisée en ce que la surface se compose d'un grand nombre d'éléments individuels (3), qui présentent, sur leur côté tourné vers l'écoulement, les nervures (4) et les rainures (5); que les éléments indivi- duelOsont disposés et/ou réalisés les uns par rapport aux au- tres de manière à ce que soient créées des fentes (9) sur le côté tourné vers l'écoulement;et que les fentes (9) sont reliées entre elles par des canaux (6), disposés au-dessous de la sur- face des éléments individuels (3) tournée vers l'écoulement. 2. Surface suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les fentes (9) sont placées perpendiculairement ou obliquement par rapport au sens de l'écoulement et qu'elles sont en liaison avec les rainures (5): 3. Surface suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce que les canaux (6) sont parallèles au sens de l'écou- lement et perpendiculaire à celui-ci. 4. Surface suivant les revendications 1 à 3, caracté- risée en ce que les éléments individuels (3) sont arrondis sur leur face avant, opposée au sens de l'écoulement, à la transi- tion entre les fentes (9) et les nervures (4) et/ou les rainures (5) et que les nervures (4) sont à arêtes vives dans le sens de l'écoulement, sur les fentes (9) 5. Surface suivant les revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que la largeur des rainures (5) et des fentes (9) est dimensionnée suivant l'épaisseur de la couche inférieure visqueuse. 6. Surface suivant les revendications 1 et 3, carac- térisée en ce que les canaux (6) sont formés par des encoches placées sur le dessous des éléments individuels (3). 7. Surface suivant les revendications 1 à 6, caracté- risée en ce qu'une source de pression aspirante ou refoulante est raccordée aux canaux (6). 8. Surface suivant les revendications 1 à 7, carac- térisée en ce que, dans le cas o le corps est entouré d'un écoulement d'eau, on prévoit sur les canaux un dispositif pour introduire des additifs en polymères. 9. Surface suivant les revendications 1 à 8, carac- térisée en ce qu'un ou plusieur ailerons connus, destinés au redressement de la turbulence, sont prévus dans la couche limite de l'écoulement.