Brevet FR2697084A1 — publié le 19940422

La présente invention concerne un dispositif de mesure des grandeurs spécifiques du tourbillon cavitant généré à l'extrémité des pales des hélices navales. La différence de pression entre l'intrados et l'extrados d'une hélice génère un écoulement secondaire, cet écoulement s'enroule en un tourbillon, qui suit à l'aval de l'hélice une trajectoire hélicoïdale, formant une nappe tourbillonnaire. La pression, au centre du tourbillon, peut devenir très faible et être inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide, le tourbillon est alors le siège de cavitation. Les grandeurs spécifiques que l'on cherche à mesurer sur ce phénomène sont le diamètre de la nappe tourbillonnaire, le diamètre du tourbillon, le pas du tourbillon. La méthode utilisée jusqu'à présent consistait à photographier ou à filmer la nappe tourbillonnaire en éclairant celle-ci à l'aide d'un flash ou d'un stroboscope. Cette méthode permet d'accéder aux grandeurs spécifiques de la nappe tourbillonnaire. Par contre, elle possède l'inconvénient de se prêter difficilement à une automatisation des mesures et à des traitements statistiques des résultats, car elle nécessite une intervention humaine pour l'interprétation des clichés ou des films, afin d'en extraire les grandeurs spécifiques recherchées. La présente invention permet de remédier à cet inconvénient. L'invention concerne un dispositif de mesure du tourbillon cavitant généré à l'extrémité des pales des hélices navales essayées dans une veine d'essais hydrodynamiques, le tourbillon se propageant en une nappe tourbillonnaire qui a une direction de propagation. Les grandeurs spécifiques représentant le tourbillon sont choisies parmi l'ensemble formé par le diamètre de la nappe, le diamètre du tourbillon, le pas du tourbillon. Selon l'invention, le dispositif comporte au moins une source de rayonnement lumineux émettant un faisceau parallèle, dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation de la nappe, au moins un moyen de détection du rayonnement lumineux, des moyens électroniques d'analyse. Les moyens de détection fournissent un signal électrique reconnaissable, lorsque le faisceau lumineux émis par la source rencontre le tourbillon. Selon un mode de réalisation, à chaque source, est associé un moyen de détection, de telle sorte que le faisceau incident traverse la veine d'essais et atteint, lorsqu'il ne rencontre pas le tourbillon, le moyen de détection. Chaque moyen de détection mesure alors l'intensité lumineuse et repère la présence du tourbillon dans le faisceau par une diminution de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Selon un autre mode de réalisation, le ou les moyens de détection ne sont pas atteints par le ou les faisceaux lorsqu'ils ne rencontrent pas le tourbillon. Chaque moyen de détection, dans ce mode de réalisation, mesure l'intensité lumineuse et repère la présence du tourbillon dans le faisceau par une augmentation de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Le dispositif comporte avantageusement des moyens de déplacement d'au moins une des sources de rayonnement, dans une direction simultanément perpendiculaire à la direction de propagation de la nappe, et à la direction du faisceau et des moyens de mesure de ce déplacement. Le moyen de déplacement d'une source de rayonnement assure alors, à chaque mesure, un déplacement dans un seul sens, tel qu'il y ait successivement absence du tourbillon dans le faisceau, présence du tourbillon dans le faisceau et, à nouveau, absence du tourbillon dans le faisceau. Les moyens de mesure du déplacement mesurent la distance entre la position de la source, où la première présence du tourbillon dans le faisceau est détectée et la première position, où la présence du tourbillon n'est plus détectée : cette amplitude de déplacement est proportionnelle au diamètre de la nappe. Selon un mode avantageux de réalisation, il comporte au moins deux sources de rayonnement émettant deux faisceaux parallèles entre eux et non parallèles à la direction de propagation de la nappe. Les moyens électroniques calculent le temps écoulé entre la détection de la présence du tourbillon dans l'un des faisceaux, dit premier faisceau, et la détection de la présence du tourbillon dans l'autre faisceau parallèle au premier faisceau, ce temps est inversement proportionnel à la composante de la vitesse du tourbillon dans la direction de propagation de la nappe. La distance entre les deux faisceaux est avantageusement comprise entre 2 à 10 fois le diamètre du tourbillon, de préférence de l'ordre de 3 fois le diamètre du tourbillon. Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens électroniques calculent le temps écoulé entre la présence du tourbillon dans un faisceau, et la disparition de cette présence, ce temps est inversement proportionnel à la composante de la vitesse du tourbillon dans la direction de propagation de la nappe et proportionnel au diamètre du tourbillon. Les sources de rayonnement sont avantageusement des lasers, et les moyens de détection avantageusement des photodétecteurs. Les déplacements des sources de rayonnement et les prises de mesures sont automatiques. Divers avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation ci-après, faite en regard des dessins annexés, dans lesquels - la Figure 1 représente un tourbillon cavitant formé à l'extrémité des pales d'une hélice - la Figure 2 donne une représentation d'un mode de réalisation de l'invention - la Figure 3 donne une méthode de détection de la présence du tourbillon dans le faisceau lumineux d'une source - la Figure 4 montre l'évolution de l'intensité lumineuse en fonction du temps, spécifique d'une détection réalisée avec la méthode représentée sur la Figure 3 - la Figure 5 donne une autre méthode de détection de la présence du tourbillon dans le faisceau lumineux d'une source - la Figure 6 montre l'évolution de l'intensité lumineuse en fonction du temps, spécifique d'une détection réalisée avec la méthode représentée sur la Figure 5 - la Figure 7 donne le principe permettant la mesure du diamètre de la nappe tourbillonnaire - la Figure 8 montre comment est mesurée la vitesse du tourbillon dans le sens de propagation de la nappe - la Figure 9 donne le principe qui permet la mesure de la vitesse du diamètre du tourbillon. La différence de pression entre l'intrados et l'extrados d'une hélice marine 7 génère un écoulement secondaire, cet écoulement s'enroule en un tourbillon 1, qui prend naissance à l'extrémité 3 de chaque pale 5. Ce tourbillon 1 se propage avec une trajectoire hélicoïdale, formant une nappe, appelée nappe tourbillonnaire 9, qui se propage dans une direction de propagation 11. Au centre du tourbillon 1, la pression peut devenir très faible et être inférieure à la pression de vapeur saturante, le tourbillon est alors le siège de cavitation. La présente invention mesure, lorsqu'il y a cavitation, les grandeurs spécifiques de ce tourbillon : le diamètre 13 de la nappe tourbillonnaire, le diamètre 15 du tourbillon, la composante de la vitesse du tourbillon dans la direction de propagation de la nappe 11. La présente invention est basée sur le principe selon lequel les bulles de cavitation dans le tourbillon modifient la propagation d'un rayonnement lumineux. Ce principe est exploité selon deux modes de réalisation, que l'on appelle respectivement "premier mode de détection" et "deuxième mode de détection". Selon le premier mode de détection, une source lumineuse 19 émet un faisceau parallèle dans une direction 21, perpendiculaire à la direction de la nappe 11, et atteint directement un moyen de détection 23 qui mesure l'intensité lumineuse. Lorsque le faisceau rencontre le tourbillon, l'intensité lumineuse transmise jusqu'au moyen de détection 23 diminue. Le moyen de détection 23 donnera donc un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse qu'il reçoit, tel que représenté sur la Figure 4. Lorsque le faisceau 21 ne rencontre pas le tourbillon 1, le moyen de détection 23 mesure une intensité lumineuse élevée, dont la courbe 40 en fonction du temps est à peu près constante, et lorsque le tourbillon traverse le faisceau, le moyen de détection 23 donne un signal qui s'annule en suivant une courbe 41 ayant, en fonction du temps, approximativement l'allure d'un créneau. Le deuxième mode de détection consiste à ne pas placer le moyen de détection 24 dans la direction du faisceau incident. Lorsque le faisceau ne rencontre pas le tourbillon 1, le moyen de détection 24 donne un signal faible 42, et lorsque le tourbillon traverse le faisceau, le moyen de détection, du fait de la réflexion du faisceau sur le tourbillon, donne un signal plus élevé, dont la courbe 43 en fonction du temps est représentée sur la Figure 6. Le dispositif comporte donc au moins une source 19 de rayonnement qui est avantageusement un laser 31, au moins un moyen de détection 23, 24 qui est avantageusement un photodétecteur 33. Le photodétecteur émet un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse qu'il reçoit et transmet ce signal à des moyens électroniques 35. Les moyens électroniques 35 comportent une horloge et des moyens de calcul. Le laser 31 et le photodétecteur 33 sont placés à l'extérieur de la veine d'essais 39 qui est pourvue de hublots 37. Dans le premier mode de détection, le laser 31 et le photodétecteur 33 sont en vis-à-vis de part et d'autre de la veine d'essais 39. Dans le deuxième mode de détection, le laser 31 et le photodétecteur 33 ne sont pas en vis-à-vis l'un de l'autre. Le photodétecteur 33 est dans le plan perpendiculaire à la direction 11 de propagation de la nappe. Ce dispositif permet de mesurer les grandeurs spécifiques de la nappe tourbillonnaire. Pour la mesure du diamètre D 13 de la nappe tourbillonnaire, le dispositif permet le déplacement d'au moins une source dans la direction 25, perpendiculaire au plan défini par la direction 11 de propagation de la nappe tourbillonnaire, et la direction 21 du faisceau. Dans le premier mode de détention, c'est-à-dire celui où le faisceau incident atteint directement le moyen de détection 23, le moyen de détection 23 est déplacé simultanément à la source 19, de telle façon qu'il reçoive toujours le faisceau incident, selon une direction 26 parallèle à la direction 25 de déplacement de la source 19. Dans le deuxième mode de détection, le moyen de détection 24 est tel qu'il reçoit, quelle que soit la position de la source 19, la détection de la présence du tourbillon dans le faisceau. La source est placée dans une position, notée M sur la Figure 5, telle que le moyen de détection 24 ou 23 ne détecte aucune présence du tourbillon dans le faisceau et donne une courbe 27. La source 19 est ensuite déplacée dans le même sens, depuis cette position M jusqu'à une position Q, où le moyen de détection 24 ou 23 ne détecte plus aucune présence du tourbillon dans le faisceau et donne à nouveau une courbe 27. On repère, au cours de ce déplacement, la position N, où une première détection de la présence du tourbillon 1 dans le faisceau 21 est réalisée, jusqu a une position P, où la détection de la présence du tourbillon 1 dans le faisceau 21 disparaît. Durant cette phase de détection, le moyen de détection capte une intensité qui suit une courbe 29. Le dispositif comporte un moyen de mesure de l'amplitude du déplacement. L'amplitude du déplacement, comprise entre la position N et la position P, est le diamètre 13 de la nappe tourbillonnaire. Un mode de réalisation est manuel. Un autre mode avantageux est automatique. Le déplacement de la source est motorisé, commandé par les moyens électroniques. Pour la mesure de la vitesse du tourbillon, le dispositif comporte deux sources 19a, 19b émettant deux faisceaux parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction 11 de propagation de la nappe, et deux moyens de détection 23a, 23b atteints directement par les faisceaux respectifs des deux sources 19a, 19b. Les courbes 20a, 20b, en fonction du temps des intensités lumineuses reçues par les deux moyens de détection 23a, 23b associés aux deux sources l9a, l9b, détectent la présence du tourbillon 1 avec un décalage de temps. Si on appelle dt11 le temps écoulé entre l'instant ta du début de la détection de la présence du tourbillon 1 dans le premier faisceau 21 par le premier moyen de détection 23a, et l'instant tb du début de la détection de la présence du tourbillon 1 dans le deuxième faisceau 21 par le deuxième moyen de détection 23b, et si on appelle e, la distance entre l'axe des deux faisceaux parallèles 21a, 21b, la composante Vp de la vitesse Vt du tourbillon dans la direction 11 de propagation de la nappe est égale à Vp = e/dt1. Lorsque la mesure de la composante de la vitesse du tourbillon est effectuée, le dispositif utilise le premier mode de détection. La mesure du diamètre du tourbillon est effectuée à partir de la largeur dt2 du créneau 41 selon le premier mode de détection, et selon la largeur dt2 de la courbe 43 selon le deuxième mode de détection. Le diamètre du tourbillon d est une fonction de D, le diamètre de la nappe tourbillonnaire, et de L le pas du tourbillon d = f (L, D) Le pas du tourbillon L se calcule alors de la manière suivante L = Vp x 60/N N étant la vitesse de rotation de l'hélice exprimée en tours par minute. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, la mesure des différentes grandeurs spécifiques est automatique et commandée par le dispositif électronique. Ce mode de réalisation permet des mesures successives dans un faible intervalle de temps, et donc d'avoir accès à des valeurs statistiques des grandeurs spécifiques. Les signes de référence, insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du tourbillon (1) cavitant généré à l'extrémité (3) des pales (5) d'une hélice (7) navale dans une veine d'essais hydrodynamiques, le tourbillon se propageant en une nappe tourbillonnaire (9), la nappe ayant une direction de propagation (11), et des grandeurs spécifiques représentant le tourbillon étant choisies parmi l'ensemble formé par le diamètre de la nappe (13), le diamètre du tourbillon (15), le pas du tourbillon (17), caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une source (19) de rayonnement lumineux émettant un faisceau parallèle, dans une direction (21), approximativement perpendiculaire à la direction de propagation (11) de la nappe depuis un côté de la veine - au moins un moyen de détection (23) de rayonnement lumineux placé de l'autre côté de la veine, fournissant un signal électrique reconnaissable, lorsque le faisceau lumineux émis par la source rencontre le tourbillon - des moyens électroniques d'analyse. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à chaque source, est associé un moyen de détection, de telle sorte que le faisceau incident traverse la veine d'essais et atteint, lorsqu'il ne rencontre pas le tourbillon, le moyen de détection, et que chaque moyen de détection mesure alors 11 intensité lumineuse et repère la présence du tourbillon dans le faisceau par une diminution de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les moyens de détection ne sont pas atteints par le ou les faisceaux lorsqu'ils ne rencontrent pas le tourbillon, et que chaque moyen de détection mesure l'intensité lumineuse et repère la présence du tourbillon dans le faisceau par une augmentation de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en qu'il comporte des moyens de déplacement d'au moins une des sources de rayonnement, dans une direction simultanément perpendiculaire à la direction de propagation de la nappe, et à la direction du faisceau et des moyens de mesure de ce déplacement. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de déplacement d'une source de rayonnement assure, à chaque mesure, un déplacement dans un seul sens, tel qu'il y ait successivement absence du tourbillon dans le faisceau, présence du tourbillon dans le faisceau et à nouveau, absence du tourbillon dans le faisceau, et que les moyens de mesure du déplacement mesurent la distance entre la position de la source, où la première présence du tourbillon dans le faisceau est détectée et la première position, où la présence du tourbillon n'est plus détectée ; cette distance étant proportionnelle au diamètre de la nappe. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux sources de rayonnement émettant deux faisceaux parallèles entre eux et non parallèles à la direction de propagation de la nappe. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électroniques calculent le temps écoulé entre la détection de la présence du tourbillon dans l'un des faisceaux, dit premier faisceau, et la détection de la présence du tourbillon dans l'autre faisceau parallèle au premier faisceau, ce temps est inversement proportionnel à la composante de la vitesse du tourbillon dans la direction de propagation de la nappe. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la distance entre les deux faisceaux est comprise entre 2 à 10 fois le diamètre du tourbillon, de préférence de l'ordre de 3 fois le diamètre du tourbillon. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens électroniques calculent le temps écoulé entre la présence du tourbillon dans un faisceau, et la disparition de cette présence, ce temps est inversement proportionnel à la composante de la vitesse du tourbillon dans la direction de propagation de la nappe et proportionnel au diamètre du tourbillon. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les sources de rayonnement sont des lasers, et les moyens de détection des photodétecteurs, et que les déplacements des sources de rayonnement et les prises de mesures sont automatiques.