Brevet FR2695097A1 — publié le 19940304

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs permettant de réduire de façon significative la résistance à l'avancement des véhicules de toute nature, qu'ils soient terrestres marins ou aériens. Cette résistance comprend plusieurs facteurs bien connus: -la résistance dûe au frottement avec le fluide, ce dernier terme étant pris ici dans un sens large (air, eau,...), -la résistance de vagues,pour les navires de surface, -la trainée induite par la portance, ceci concerne toutefois essentiellement les ailes d' avion et cette résistance n' est d' ailleurs pas très importante par rapport aux autres. I1 est à noter que cette forme de résistance est incontournable puisque, pour avoir une portance, il faut une densité de lachers de tourbillons, chacun emportant avec lui une certaine quantité d' énergie cinétique.L' invention telle que décrite ci-après n' aura aucun effet particulier sur ce phénomène. Nous allons donc par la suite ne considérer que les deux premières formes de résistance. La résistance de frottement dépend elle-même de deux facteurs. D' un côté, le frottement proprement dit se traduit par la formation d'une couche limite, laminaire à 1' avant du véhicule et qui, le plus souvent, devient très rapidement turbulente. La résistance correspondante se calcule généralement comme s' il s' agissait d' une plaque mince de même surface de contact et de même longueur se déplaçant parallèlement à son plan. De 1' autre côté, il peut s'ajouter une résistance dûe à la forme du véhicule. En théorie, il est bien connu que le mouvement dans un fluide parfait (c'est-à-dire sans viscosité) ne générerait, le plus souvent, aucune résistance à 1' avancement. I1 faut cependant noter que des formes peu hydro ou aérodynamiques induiraient une résistance même si la viscosité du fluide tendait vers zéro. Autrement dit, dans le cas de "mauvais" profils, il se créerait une zone tourbillonnaire en aval de certaines zones, indépendamment, du moins sur le plan théorique, du développement de la couche limite. Dans la pratique, il est difficile de bien faire la distinction entre les deux phénomènes mais, pour schématiser, on peut dire que la part dûe au profil correspond à la position du décrochement de la couche limite, la résistance correspondante étant d' autant plus grande que ce décrochement se produit sur 1' avant du véhicule. I1 ne s' agit là que d' une simplification grossière car il arrive souvent que la position du décrochement varie avec la vitesse. Autrement dit, si on arrivait à éliminer la résistance dûe exclusivement au frottement, il faudrait toujours disposer de "bons" profils pour n' avoir aucune résistance à 1' avancement, hors résistances de vagues ou de trainée induite par la portance. Sur le plan théorique, ces "bons" profils existent,et, un moyen d' en générer consiste par exemple à choisir comme profil une courbe de courant fermée connexe ( c'est-à-dire en une seule partie) induite par un ensemble de sources, dipôles, ou de systèmes d' ordre plus élevé tels des quadripôles, dont le débit global est nul, répartis dans l'espace et se déplaçant uniformément. L' invention décrite ci-après consiste principalement à réduire, voire éliminer presque complétement, la résistance due au frottement. I1 devient alors possible d'éliminer aussi la résistance de vagues des navires, et nous verrons plus loin comment y parvenir. I1 est clair que la résistance globale pourra alors être très faible si la forme du profil est choisie comme indiqué précédemment,et s'il n'y a pas de trainée induite La résistance dûe exclusivement au frottement résulte du développement de la couche limite, laminaire puis turbulente. Il existe des systèmes pour modifier le développement de la couche limite mais, globalement, le résultat sur la résistance à 1' avancement n' est pas très important. I1 s'agit de 1' aspiration ou du soufflage de la couche limite. Avec 1' aspiration de fluide dans la couche limite, la couche limite turbulente ne peut plus se développer. En revanche, il se crée de multiples couches limites laminaires et il faut de 1' énergie pour aspirer le fluide, qui d' ailleurs ne se trouve pas partout à la même pression, pour le refouler à 1' arrière du véhicule. Le système de soufflage est encore moins intéressant car il favorise le développement de la couche limite turbulente même s' il 1' éloigne de la paroi. I1 n' y a pas vraiment de diminution de la résistance. L' invention repose sur 1' idée que, pour éviter le développement de la couche limite, il faut que la paroi externe du véhicule n' ait pas de mouvement relatif important par rapport au fluide, du moins dans le sens tangentiel à la paroi du véhicule. Qu'il y ait ou non dispositifs selon l'invention, le mouvement dans le sens perpendiculaire à la paroi du véhicule s'ajuste automatiquement, sauf décollement de couche limite. Deux types de solutions selon l'invention sont envisageables suivant que le dispositif ajouté est solidaire du véhicule ou pas. La première solution consiste à disposer de tapis roulants de manière que la composante suivant la vitesse du véhicule, de la vitesse absolue de la partie du tapis en contact avec le milieu ambiant soit nulle ou très faible. En toute rigueur, il faudrait que la vitesse des tapis soit , en chaque point de la paroi du véhicule, égale à la vitesse qu' aurait un fluide parfait en ce point, lors du mouvement du même profil sans dispositifs selon l'invention.Les pertes par viscosité dans le fluide réel seront alors trés faibles. Dans le second cas, le véhicule se déplace à 1' intérieur d' une barrière fixe par rapport au sol, non étanche, qui sépare le véhicule du milieu ambiant. Ceci suppose une trajectoire parfaitement connue, ce qui est le cas pour les trains. I1 est clair que chaque dispositif décrit ci-après ne couvre qu'une partie du véhicule. I1 y a intérêt à en placer le nombre suffisant pour que 1' essentiel de la surface externe du véhicule soit couvert. La figure 1 présente le schéma de principe d'un tapis roulant selon 1' invention. Le tapis 1 est monté sur deux rouleaux cylindriques 2 et 3. Chaque rouleau est monté par l'intermédiaire d'une pivoterie sur la paroi du véhicule (fixation non représentée). Un des rouleaux peut être entrainé en rotation à une de ses extrémités, soit par un moteur électrique à vitesse variable, soit par des engrenages et un ensemble de tringleries reliées à une prise de mouvement liée à la vitesse du véhicule ou encore par un entrainement mécanique. La vitesse de rotation des rouleaux est ajustée pour minimiser globalement la vitesse relative tangeantielle entre le milieu ambiant 11 et la face externe des tapis 5. I1 n' y a alors pratiquement plus de frottement avec le milieu ambiant. Ceci étant, on voit facilement sur la figure 1 qu' on a crée deux nouveaux espaces dans lesquels il existe un mouvement et donc des pertes. D' une part, I' espace 9 compris à 1' intérieur du tapis entre les faces internes 6 et 8 , d' autre part, 1' espace 10 compris entre la paroi 4 du véhicule et la face 7 du tapis qui lui est en regard. En appelant V la vitesse absolue du véhicule, la vitesse du tapis par rapport au véhicule doit être sensiblement égale à V Dans 17 espace 9, la vitesse relative des deux faces du tapis est ainsi de 2V et, dans 1' espace 10 , de V seulement entre tapis et paroi. Les hauteurs de ces espaces doivent être calculés pour que, à la vitesse VO à laquelle il faut minimiser la résistance, le mouvement de cisaillement du fluide corresponde à un écoulement laminaire. En appelant Ro le nombre de Raynolds maximal permettant d' éviter les mouvements turbulents, la hauteur de 1' espace 10 doit se situer au environs de R. /V, , 9 étant la viscosité cinématique du fluide. De même, la hauteur de 1' espace 9 doit être voisine de Ro9/2Vo. Le frottement avec le milieu extérieur 11 a donc disparu mais il subsiste encore quelques pertes dans les espaces 9 et 10. Celles-ci peuvent elles-mêmes être réduites par différents moyens. Le plus simple est de changer de fluide mais ceci n' est possible que dans le cas d' un navire. En remplissant les espaces 9 et 10 d' air au lieu d' eau, les pertes par frottement dans ces espaces deviennent tout à fait négligeables. I1 faut alors isoler ces espaces du milieu extérieur, par exemple par des joints à lévres, placés sur le pourtour de la face 5 du tapis en contact avec le milieu ambiant,latéralement ( non représentés) et au niveau des rouleaux en 12 et 13. I1 subsistera bien sûr quelques fuites, aussi sera-t-il utile de prévoir un système d'asséchement par des drains placés dans les parties basses. L' autre solution consiste à remarquer que les pertes subsistantes seront les plus importantes dans 1' espace 9 puisque de hauteur deux fois plus faible que celle de 10 et une vitesse relative double. Une première idée consiste à installer une plaque 14 comme indiqué sur la figure 2 à mi-hauteur de 1' espace 9 ,chaque demi hauteur valant X 3/vo ,ce qui permet de multiplier par quatre la hauteur et diminuer d' autant les pertes dans cet espace. Une autre idée consiste à disposer plusieurs tapis à des hauteurs différentes sur les rouleaux de manière à retarder encore 1' apparition des turbulences. Les figures 3 et 4 représentent un tel montage, le tapis extérieur 15 étant maintenu en position, soit parce qu'il présente une raideur suffisante à la flexion dans ce sens, soit grâce à des renforts 16 qui n' empêchent nullement le mouvement de rotation au-tour des rouleaux, renforts représantés que dans une zone seulement sur la figure 3, soit par tension grâce à des ergôts 17 venant se loger dans des gorges 18 du tapis. Le tapis intérieur 19 est placé sur les rouleaux sur une portion 20 de diamètre plus faible. On peut superposer ainsi les tapis et les deux idées ci-dessus ne sont pas exclusives l'une de l'autre en logeant plusieurs tapis et une plaque au milieu. On voit qu'il est possible de réduire autant que souhaité les pertes dans l'espace 9 mais les dispositions ci-dessus ne sont d'aucune utilité pour réduire les pertes dans l'espace 10, sauf à changer de fluide comme indiqué précédemment. I1 est en fait possible de réduire, sans limites théoriques, les pertes par frottement sans changer de fluide en modifiant la conception du tapis roulant. S'il est nécessaire que le trajet "actif" au tapis,c'est-à-dire le déplacement sur la figure 1 qui se fait d' un rouleau à l'autre dans la partie où il y a contact avec le milieu ambiant, couvre toute la largeur des rouleaux, rien n'oblige la partie "retour" ,c'est-à-dire la portion qui se trouve en regard de la paroi 4 (fig.l) du véhicule, à en faire de même. Par exemple, il est facile d'imaginer une juxtaposition de tapis roulants peu larges dans le trajet "actif" qui effectueraient le trajet "retour" superposés. Chaque tapis élémentaire doit alors avoir ses propres rouleaux à chaque extrémité de la partie "active". La figure 5 représente le cheminement d'un tel tapis élémentaire, vu perpendiculairement à la paroi du véhicule, les rouleaux 21 et 22 aux extrémités du parcours "actif" 25 sont inclinés à 450 pour renvoyer perpendiculairement le tapis sur les parcours 26 et 27, le trajet "retour" proprement dit, qui va de l'arrière vers l'avant, se faisant en 28 à l'aide de deux rouleaux 23 et 24 également placés à 450. Le diamètre des rouleaux doit être aussi faible que possible car il se produira un léger mouvement entre tapis et rouleaux qu'il y a intérêt à limiter au maximum. Plusieurs systèmes de ce type peuvent être mis côte à côte pour les parties 21, 22, 25, et superposés pour les parties 28, partiellement superposés pour les parties 26 et 27, et communs pour les rouleaux 23 et 24. La figure 6 représente une telle extension au cas de deux tapis élémentaires 29 et 30, l'extrapolation au cas d'un plus grand nombre ne soulevant aucune difficulté de principe. La figure est toutefois limitée à un renvoi d'angle permettant de passer de la position juxtaposée à la position superposée. Un tel montage suppose une faible épaisseur des tapis élémentaires afin que leur superposition ne crée pas de problème au niveau des rouleaux 23 et 24 (fig.5) si on veut conserver - mais ce n' est pas insispensable - rigoureusement la même vitesse de défilement des différents tapis constituant une même nappe. Il n'y a d'ailleurs pas de limite inférieure pour la largeur des mailles élémentaires. Celles-ci peuvent ainsi être constituées de fils, chaque fil venant changer de direction sur une roue à gorge particulière. Ce système permet de faire pratiquement disparaître les pertes sur le trajet "retour" mais il subsiste toujours les pertes dans la cavité 31 de la figure 7 située entre la face interne 8 des tapis élémentaires, la paroi 4 du véhicule et les rouleaux 2 et 3 (qui apparaissent sous forme d' ellipse compte tenu de l'inclinaison des rouleaux). Mais il devient alors possible de dédoubler chaque tapis élémentaire dans le sens de l'épaisseur comme déjà vu (figures 3 et 4). Cependant il n'est plus possible cette fois-ci d'utiliser un meme rouleau pour faire changer de direction les deux tapis animés d'une vitesse différente. La figure 8 représente une vue de dessus du montage correspondant. Les tapis supérieurs 36 et 37, c'est-à-aire ceux qui sont animés de la plus grande vitesse, deviennent superposés dans la zone 42. Ils sont montés respectivement sur les rouleaux 32 et 33.Les tapis inférieurs 38 et 39, c'est-à-dire ceux qui sont animés des vitesses moindres, sont superposés dans la zone 43 et sont montés sur les rouleaux 34 et 35. Les tapis d'une môme maille élémentaire - qui comprend un tapis grande vitesse et un tapis petite vitesse l'un au dessus de l'autre dans la zone "active" de la figure 9 - apparaîssent en 40 pour l'une (composée des tapis 36 et 38) et en 41 pour l'autre (composée des tapis 37 et 39). La mise en place de deux tapis à des vitesses différentes permet de diviser par quatre les pertes. Le mécanisme décrit ci-dessus n'a pas de limites théoriques, ni dans le nombre de mailles élémentaires, ni dans le nombre de couches de tapis dans la zone "active". C'est dire que les pertes par frottement peuvent être réduites autant que voulu. I1 est clair cependant que les difficultés pratiques deviendront de plus en plus importantes. Les descriptions précédentes indiquent comment réduire les pertes par frottement en utilisant un dispositif mobile monté sur le véhicule au niveau de l'interface entre le véhicule et le milieu fluide. Un autre type de solution, comme déjà mentionné, consiste à placer cette fois-ci un dispositif fixe dans le milieu fluide. Dans ce cas, il n'est plus envisayeable de pouvoir réduire sans limites la résistance de frottement. Le système dans son principe est en revanche plus simple car il suffit, comme indiqué sur la figure 10, de placer le dispositif 4 entre la paroi du véhicule 4 et le milieu ambiant 11 en créant ainsi une couche 45 dans laquelle le fluide est cisaillé. Le dispositif 44 empêche alors le développement de la couche limite en dehors de la zone 45, réduisant de ce fait les pertes par frottement. L'épaisseur de la couche 45 doit tenir compte du jeu nécessaire entre véhicule et dispositif 44, outre les considérations déjà exposées sur l'intérêt de prendre la distance maximale permettant un écoulement laminaire dans la couche cisaillée. Ce dispositif 44 doit laisser passer le fluide de manière à ce qu'il s'échappe latéralement à l'avant du véhicule, et que le mouvement inverse se produise à l'arrière. Les ouvertures seront assez grandes pour que les pertes de charge soient faibles mais leur conception et leur dimensionnement seront tels qu'il n'y aura pratiquement pas de mouvement d'entraînement du fluide 45 dans le sens du déplacement du véhicule. Le dispositif 44 peut être constitué d'un grillage métallique ou, tout simplement, d'une série d'arceaux plans 46 régulièrement espacés pour que l'échappement de l'air se fasse aussi perpendiculairement que possible à la vitesse 47 du véhicule( figure llb). Vus dans l'axe du déplacement du véhicule, ils doivent épouser la forme extérieure du véhicule 4 (figure pila). Les principes décrits ci-dessus permettent ainsi une réduction importante du frottement avec le milieu ambiant. Ces dispositions doivent être complétées par le choix d'un bon profil du véhicule, comme déjà mentionné. Cependant, pour les navires, la résistance de vagues reste un problème important, hormis quelques cas particuliers( yros pétroliers,...). Ce qui va suivre a pour objet de montrer comment, lorsqu'on sait maîtriser les forces de frottement, il devient possible de supprimer également la formation de vagues, et par là-même la résistance à l'avancement correspondante. Pour qu'il n'y ait plus de résistance de vagues, il faut que l'eau reste pratiquement immobile au voisinage et surtout à l'arrière du navire. Or, un débit d'eau important doit passer de l'avant à l'arrière du navire pour compenser l'avance de celui-ci. Si rien n'est fait et quelles que soient les formes de la carène, il y a formation de vagues. I1 faut maîtriser ce débit si on veut éliminer ce phénomène. La solution consiste à placer sous la caréne, ou éventuellement en abord, un large conduit dont la section sera du même ordre de grandeur que celle de la coque immergée, dans la zone où celle-ci est la plus grande. La figure 12 aide à comprendre le mécanisme. Le navire comprend une partie émergée 51 et une partie immergée 52, la séparation entre ces deux zones étant constituée par la ligne de flottaison 56 située au niveau de l'eau 50. La vitesse d'avance est schématisée par la flèche 57. Un large conduit 54 canalise l'eau à l'avant 48, amène l'eau captée dans la zone médiane 49, puis l'évacue à l'arrière 50. Ce conduit est constitué latéralement de cloisons 58, en partie supérieure de la carène 55 et d'un fond 53. Dans la suite on appelera: V: vitesse absolue du navire W: vitesse absolue de l'eau (par rapport au fond ). On supposera ici, pour simplifier l'exposé, qu'il n'y a pas de courant. w: vitesse relative de l'eau (par rapport au navire) e, m, s: indices correspondant à l'entrée, au milieu et à la sortie du conduit p: pression absolue s: section du conduit S: section de la coque immergée Le conduit est conçu pour que: - (s+S) soit constant sur toute la longueur (forme extérieure du conduit cylindrique à axe parallèle au batiment mais à base quelconque; en forme de rectangle sur la figure 12. - S =S =0, autrement dit, aux deux extrémités le conduit occupe e s toute la section immergée. Pour qu'il n'y ait aucun déplacement d'eau en dehors du conduit, et donc pas formation de vagues, il faut, et il suffit lorsqu'on a réglé le problème du frottement visqueux, que: = = = (1) Les vitesses absolues et relatives sont liées par: W=V+w (2) Par combinaison de (1) et (2): w = w = -V (3j Le débit dans le conduit doit être partout le meme, les calculs devant être effectués dans le repère lié au navire: s w = s w = s w (4) ee mm ss Par combinaison de (n) et (4): wm = -V so en posant se = ss = so sm m s+S étant constant: s + S = s d'où: w = -V (1 +rn m o (s) m s m Par combinaison de (5) et (2): Wm = - V Sm sm m Si on choisit, par exemple, s = S , alors: m m wm = -2V Wm = -V La forme du conduit doit être très régulière pour que les vitesses soient aussi uniformes que possible dans chaque section, en particulier au niveau de la sortie. Toutefois, le fluide étant accéléré de façon naturelle sa pression va baisser au fur et à mesure que sa vitesse va augmenter. En applicant la formule de Eernouilli dans un repère lié au navire (et en négligeant les variations de pression liées à la profondeur d'immersion): pm + 0,5 # wm2 = Pa + 0,5 #V2 formule dans laquelle Pa représente la pression atmosphèrique. La pression Pm devant toujours rester positive (en toute rigueur supérieure à la pression de cavitation, mais celle-ci est en général très faible), il existe une limitation de vitesse pour éviter la cavitation dans le conduit: Compte tenu de (5): S avec r = s m Pour r=l,Vs 8,16 m/s soit environ 16 nds. Pour obtenir de plus grandes vitesses sans caviter, il faut, soit augmenter l'immersion du conduit, soit diminuer r, c'est-à-dire, à S fixé, augmenter la taille du conduit. m Une ou plusieures hélices dans le conduit permettent d'ajuster le débit à la vitesse demandée du navire.Elles seront préférentiellement plaçées à l'entrée ou à la sortie du conduit pour limiter les risques de cavitation. La présence d'hélices n'est cependant pas indispensable si les rouleaux mis en place pour éliminer les pertes par frottement sont entrainés mécaniquement et, dans ce cas, ils apportent l'énergie nécessaire, même si celle-ci est très faible. Ce conduit ne présenterait pratiquement aucun intérêt en l'absence de dispositifs pour éliminer les frottements visqueux. En effet, la surface mouillée est considérablement augmentée du fait de l'adjonction des cloisons 53 et 58 mouillées des deux côtés, et- , la vitesse de circulation dans le conduit est beaucoup plus grande que la vitesse du navire. Ce système permettrait ainsi d'éliminer la résistance de vagues, mais en augmentant considérablement la résistance visqueuse. Les pertes correspondantes étant généralement du même ordre de grandeur, le bilan global conduirait à une augmentation de la puissance nécessaire à la propulsion du navire à une vitesse donnée. En revanche, dès lors qu'on sait réduire dans de larges proportions les frottements visqueux, par exemple, par la technique des tapis roulants, il apparait possible de réduire la résistance à l'avancement d'un navire en utilisant simultanément la technique du conduit et celle des tapis roulants sur toutes les surfaces mouillées. Dans la pratique, on dispose ainsi d'une solution permettant de diminuer, autant que voulu, la résistance à l'avancement des navires, et celà, tout en conservant leur sustentation par la poussée d'Archimède. REVENDICATIONS 1) Véhicule terrestre, aérien ou naval, caractérisé en ce que la résistance à l'avancement dûe au frottement visqueux avec le milieu ambiant est réduite par adjonction de dispositifs mécaniques mobiles par rapport au véhicule, dispositifs dont le mouvement tend à ne pas entrainer le fluide dans le sens du mouvement du véhicule. 2)Véhicule selon la revendication 1), caractérisé en ce que les dispositifs mobiles par rapport au véhicule sont fixes par rapport au sol. 3) Véhicule selon revendication 2) caractérisé en ce que les dispositifs selon l'invention sont constitués d'un grillage, d'une tôle ajourée, ou d'arceaux régulièrement espacés. 4) Véhicule selon revendication 1) caractérisé en ce que les dispositifs sont constitués d'un ou plusieurs tapis roulants dont la partie en reyard avec le milieu ambiant, air ou eau, présente une vitesse relative par rapport à ce milieu aussi faible que possible, la vitesse d'avance des tapis par rapport au véhicule étant soit naturelle, soit assurée par un entrainement quelconque. 5) Véhicule selon la revendication 4) caractérisé en ce que certains tapis sont en fait constitués de plusieurs bandes ou fils juxtaposés dans la zone "active" et superposés ou regroupés ailleurs. 6) Véhicule selon la revendication 4) ou 5) caractérisé en ce que la cavité interne 9 (figure 1) ou 31 (fig.7) d'un ou plusieurs tapis comprend une ou plusieurs autres couches de tapis 19 (fig.4) ou 38 (fig.9) dont la vitesse d'avance est plus faible. 7) Véhicule selon la revendication 4) ou 6) caractérisé en ce que la cavité interne 9 (figure 1) des tapis comprend une tôle médiane 14. 8) Véhicule selon la revendication 5) ou 6) caractérisé en ce que les bandes ou les fils passent de la position juxtaposés à la position superposés ou regroupés par inclinaison de l'axe de rotation des rouleaux qui ne sont plus alors perpendiculaires à la vitesse de défilement des bandes ou des fils et par l'adjonction d'autres rouleaux pour créer un circuit de retour des tapis non rectiligne. 9) Véhicule selon la revendication 4) caractérisé en ce que une partie d'un tapis ou de plusieurs tapis est isolée de l'eau les espaces 9 et 10 étant remplis par un gaz. 10) Navire selon une des revendications 1),4),5),6),7) ou 8) caractérisé en ce que un conduit de forme extérieure cylindrique à base quelconqust ajouté à la carène, le débit traversant ce conduit étant de l'ordre de grandeur du produit de la section maximale de la carène immergée par la vitesse du navire