Brevet FR2712640A1 — publié le 19950524

1. La présente invention concerne une. structure de surface à faible traînée. Pour toute surface au dessus de laquelle un fluide s'écoule, une trainée est provoquée entre l'écoulement de fluide et la surface. La cause principale de cette traînée est un frottement dans la couche limite dans laquelle la vitesse du courant de fluide est réduite d'une valeur variable depuis celle du courant libre du fluide. Ce frottement appelle une dépense d'énergie, qui apparait sous forme de chaleur, et l'énergie ainsi dépensée est perdue. D'une façon générale, la traînée n'est pas sou- haitable, puisqu'elle consomme de l'énergie et réduit l'efficacité du dispositif d'écoulement de fluide dont la surface en question forme une partie. Le dispositif concerné peut être de plusieurs types, parmi lesquels figurent les moteurs à turbines à gaz, les avions et les bateaux (dans le dernier cas, le fluide est de l'eau tandis que dans les deux premiers cas le fluide est de l'air ou un gaz). A cause de la nature indésirable de la traînée, il y a eu plusieurs tentatives pour la réduire, habituellement par un traitement de la couche limite elle-même. Dans cer- tains cas, la couche limite a été aspirée vers l'extrieur, tandis que dans d'autres cas la couche limite a été activée par un fluide envoyé sur elle dans la direction de l'écoule- ment général du fluide. Ces expédients ont donné quelques résultats, mais il y a des difficultés très importantes pour les mettre en oeuvre, ce qui a empêché leur appli- cation de se répandre. La présente invention concerne une autre forme de surface à faible traînée. 2. Selon la présente invention une structure de surface à faible traînée comprend un moyen de stabilisation qui produit des variations régulièrement espacées dans l'écoulement limite à travers la surface de façon à sta- biliser une pluralité de tourbillons linéaires paral- lèlesespacés les uns des autres et s'étendant transversalement par rapport à la direction générale de l'écoulement à travers la surface, et qui change l'écoulement limite pour amener les tourbillons à se déplacer dans la direction de l'écoulement général et à une vitesse d'environ la moitié de celle du courant libre. Ledit moyen de stabilisation peut imiter un moyen mécanique par un moyen dynamique à fluide; ainsi il peut simuler des ondes de surface qui voyagent le long de la surface par des ouvertures judicieusement positionnées dans la surface et des moyens d'activation qui amènent'le fluide à s'échapper de ou à rentrer dans ces ouvertures en séquence. L'invention va maintenant être décrite plus parti- culièrement, principalement au moyen d'exemples, en réfé- rence aux dessins ci-joints sur lesquels:. la figure 1 est une vue en coupe d'una surface à faible tratnée selon l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe d'une autre réalisation d'une surface à faible traînée selon l'in- vention. Sur la figure 1 la surface à faible traînée com- prend une peau rigide (20) ouverte. Les ouvertures (21) sont des fentes qui s'étendent latéralement, bien qu'elles pourraient être remplacées par des rangées de petits trous très près les uns des autres. Derrière la peau (20) une série de cloisons (22) divise la face arrière en un nombre de cellules séparées (23), chacune. ayant une seule ouverture (21), s'étendant depuis. 3. Une peau arrière (24) fournit une paroi arrière pour les cellules (23), et comme la peau (20), cette peau arrière (24) est ouverte en(25)pour permettre à chaque cellule (23) de communiquer avec un canal (26) formé entre la peau arrière (24) et une feuille de base (27). Les ouvertures (25) sont à nouveau des fentes s'étendant latéralement, mais pourraient être comme dans le cas des ouvertures (21) des rangées de trous adjacents. Pour activer ce système, un transducteur acoustique ou des séries de transducteurs (28) sont montés à l'extré- mité d'amont du canal (26), et est alimenté par des moyens non représentés pour produire une série d'ondelettes dans le fluide qui se déplacent le long du canal. Ces ondelettes seront reconnues comme étant la sortie normale d'un tel transducteur dans un tel canal, et la sortie du transducteur est en fait une onde se propageant à une vitesse inférieure à celle du son à cause de la structure fermée du canal. Lorsque les ondelettes passent les ouvertures (25) elles sont transmises dans les cellules (23), et en chois- sissant les dimensions des cellules correctement, il est possible de s'arranger pour que les cellules résonnent pour amplifier l'effet des mouvements provoqus par le transducteur dans le canal. En conséquence, de fortes pulsations de fluide sont crééesà travers les ouvertures (21) à l'intérieur et à l'extérieur des cellules (23). L'4carteme1nt desouvertures de la première cellule (23) change pour devenir une pul- sation vers l'intérieur, et les autres cellules changent également. 4. L'effet global est comne si chaque pulsation se déplaçait selon la progression des ouvertures (21) à la vitesse des ondelettes dans le canal (26). On se rendra compte que les pulsations rentrantes dans une cellule (23) et les pulsations sortantes des pulsations voisines produisent un écoulement limite simi- laire au contour d'une surface mécanique et un effet similaire sera obtenu en relation avec une série de tour- billons parallèles s'étendant longitudinalement. Ainsi chaque tourbillon aura tendance à se stabi- liser dans la zone proche de la cellule (23)subissant un écoulement rentrant et comme la situation se modifie de façon telle que la région d'écoulement semble voyager vers l'aval à travers la surface, alors les tourbillons seront également amenés à se déplacer vers l'aval. Le fonctionnement de cette réalisation en tant que dispositif à faible traînée dépend des tourbillons (16) agissant d'une façon comparable à des éléments roulants de roulement à éléments roulants dans des dispositifs mécaniques. Ainsi, la partie du tourbillon adjacent au courant libre est rendu capable de se déplacer à environ la vitesse du courant libre C par la précession des tourbillons le long de la surface à leur vitesse d'approxi- mativement C/2 imprimée par le déplacement des ondes le long de la surface. Ceci est bien sûr la relation de rouleau normale et peut être déduite en considérant la situation instantanée o le point de contact entre le rouleau et la surface a une vitesse nulle, le centre du rouleau a une vitesse de C/2 et la partie supérieure de la périphérie du rouleau doit ainsi avoir deux fois cette vitesse, c'est à dire que sa vitesse est C. L'arrangement garantit par conséquent que l'arrache- ment entre les tourbillons et le courant libre est faible, et il y a seulement un arrachement relativement petit entre la partie inférieur de l'écoulement tourbillonaire et la surface adjacente. et la surface adjacente. 5. Ainsi la traînée entre le fluide et la surface est réduite. Dans certaines circonstances la formation de tour- billons peut être spontanée à cause des caractéristiques de la surface et de lécoulement par dessus elle. Dans d'autres cas, les tourbillons peuvent être positivement formes par un dispositif séparé connu, tel qu'un cylindre tournant parallèle à la surface, ou une clôture oscillante ou une rampe sur la surface. De quelque manière qu'ils soient formés,il est important que les tourbillons se suivent l'un l'autre le long de la surface dans la direction de l'écoulement du fluide et qu'iIstournent tous dans le même sens. Un problème avec la réalisation de la pour des vitesses d'écoulement libre relativement élevées. La figure 2 par conséquent illustre une réalisation dont le principe de base du fonctionnement est similaire à celui de la figure 1 mais qui a un mécanisme d'entraîne- ment diffrent qui ren" le dispositif capable 'etre optimisé pour des vitesses de courant libre plus basses. Sur la figure 2, la peau rentre en contact avec le fluide et est similaire à la, peau (20) de la précédente réalisation, et une fois de plus des ouvertures s'étendant latéralement ou des rangées d'ouverture (31) sont prévues. La zone derrière la peau est à nouveau divisée par des éléments de cloison(32) dans les cellules (33), chaque cellule communiquant avec la région de l'écoulement du fluide via une des ouvertures (31). 6. 2712640 Cependant, au lieu de La paroi arrière (24) et du canal (26) de la précédente réalisation, cette réali- sation a une pluralité de transducteur séparés(34), un pour chaque cellule (33),et forme la paroi arrière de leur cellule respective. Un signal est injecté au premier transducteur (34) de la série et est ensuite alimenté par l'intermédiaire d'un dispositif d retard(35) au prochain transducteur de la série et ainsi de suite. De cette façon les déplacements du fluide dans Les cellules ad- jacentes peuvent être arrangés de façon à être de phases différentes.Si ils sont en opposition de phase, la situation décrite en relation avec la figure 1 est ob- tenue, et en modifiant les dispositifs à retard(35),__.. une infinité de modifications de différences-de phases pourrait être arrangée. De cette façon, en changeant la fréquence produite par les transducteurs et leuxsdifférencesde phases il est possible de faire varier la vitesse apparente des ondes d'écoulement rentrant et sortant se propageant le Long de la série d'ouverture (31) et La "Longeur d'onde" de ces ondes. La première peut être arrangée pour voisiner la moitié de la vitesse du courant Libre, tandis que la dernière peut être modifiée pour s'adapter à la taille optimale de tourbillons, qui dépendra elle-même du fluide en présence. Bien que plus complexe, par conséquent, cette réalisation apporte une souplesse considerable des conditions qui peut la rendre adaptable. à des utilisations experimentales et de développement. On comprendra que ce qui précéde représente deux exemples parmi un certain nombre d'autres façons de réaliser l'invention. D'autres réalisation pourraient par exemple utiliser une surface arrière fixe de forme ondulée pour le canal.(26), le transducteil (28) activant le courant à travers cette surface. Autrement, Le transducteur (28) pourrait être placé et la surface ondulée remplacée par une membrane sur laquelle les ondelettes se propageant pourraient être produites par un méchanisme vibrant. 7. Probablement que la plus simple des réalisations de l'invention serait basée sur un écoulement au-dessus de la surface ouverte (20) pour engendrer sa propre variation dans l'écoulement limite, si nécessaire dé- limitée par une membrane flexible formant la limite réelle. On notera que les transducteurs 28 et 34 pourraient comprendre des dispositifs tels que des haut-parleurs ou des transducteurs moins encombrants et moins fragiles tels que ceux du type piezo-électrique ou magnetostrictif. 8. 2712640 REVENDICATIONS 1. Structure de surface ayant une surface soumise à une traînée engendrée par l'écoulement d'un courant de fluide sur elle, le courant de fluide comprenant des tourbillons linéaires s'étendant parallèlEset adjacents à la surface, la structure de la surface étant caractérisée par un moyen de stabilisation destourbillons (21-28, 31- ) incorporé et arrangé pour produire des variations régulièrement espacées dans l'écoulement limite dans le sens du courant de la surface (20, 30) pour stabiliser une pluralité de tourbillons linéaires (16) parallèles et espacés l'un de l'autre transversalement à la direction du courant (17),les variations dans l'écoulement limite engendrant des tourbillons linéaires (16) pour rouler dans la direction du courant (17) à approximativement la moitié de la vitesse du courant libre, réduisant ainsi la traînée sur la surface (20, 30). 2. Structure de surface selon la revendication 1 caractériseen ce que le moyen de stabilisation (20 - 28, - 35) comprend une pluralité d'ouvertures (21, 31) dans la surface (20, 30), les ouvertures étant couplées avec des moyens d'activation (26, 28, 34, 35) adaptés pour amener le fluide à entrer ou sortir des ouvertures 21, 31) selon une séquence pré-déterminée par rapport aux ouvertures voisines. 3. Structure de surface selon la revendication 2, caractériseen ce que la structure comprend de plus une pluralité de cellules (23, 33) formées adjacentes à la surface (20, 30), chaque cellule (23,33) étant en communication avec au moins une des ouvertures (21, 31). 4. Structure de surface selon la revendication 3, caractériséeen ce que la structure comprend en outre un canal (26) relié en série avec les cellules (23), le moyen d'activation comprenant un tran:ducteur (28) pour engendrer des ondes se propageant à l'intérieur du canal (26). 9. 5. Structure de surface selon la revendication 3 caractérieen ce que le moyen d'activation comprend une pluralité de transducteurs (34) pour engendrer un mouve- ment ondulatoire de fluide à l'intérieur des cellules (33), chacune des cellules (33) étant munie respectivement d'un des transducteurs (34). 6. Structure de surface selon la revendication 5 caractérisé en ce que les transducteurs (34) sont entratnés par des moyens de signaux électriques et sont connectés en J0 série l'un à l'autre par l'intermédiaire de lignes à retard (35) de façon à ce que chaque transducteur (34) ait une relation de phase prédeterminé avec ses voisins.