Brevet FR2728918A1 — publié le 19960705

Dispositif d'absorption dynamique de la houle en bassin d'essais. La présente invention concerne le dondaine de la sinulation, en bassin d'essai, de phénomènes naturels en milieu marin telle que, notaient, la houle, afin, par exemple, d'étudier leur influence sur des maquettes à échelle réduite d'ouvrages maritimes. De nombreux dispositifs générateurs de houle, appelés batteurs, sont connus à l'heure actuelle. Il s'agit, par exemple, de batteurs de type piston, comprenant un panneau vertical coulissant, ou de batteurs de type volet articulé, pivotant autour d'un axe immergé. I1 existe également des batteurs dits "double effet", combinant, par exemple, deux volets articulés, ou bien un panneau coulissant et un volet articulé, ou encore un seul panneau animé simultanément d'un mouvement de translation et d'un pivotement. Ces batteurs, sous la commande d'actionneurs (moteurs, vérins, etc) sont animés de mouvements de va-et-vient adaptés à la génération d'une houle donnée. Dans le cas d'un batteur à plusieurs degrés de liberté, par exemple un batteur "double effet", il pourra y avoir autant de mouvements de va-et-vient qu'il y a de degrés de libertés. En pratique, la houle générée par de tels batteurs n'est pas constituée par une seule onde, nais par une combinaison d'ondes de fréquences différentes. On appellera une telle houle, constituée de plusieurs ondes, houle complexe, par opposition à une houle monochromatique, caractérisée par une seule fréquence. Dans un bassin d'essai, se pose le problème de la réflexion par les parois des ondes générées par le batteur. I1 est connu, pour résoudre ce problème, de mettre en oeuvre des dispositifs d'absorption statiques, généralement des plages inclinées dont la surface a une certaine rugosité, adaptés à dissiper l'énergie de la houle. il a également été proposé de mettre en oeuvre des dispositifs d'absorption dynamique, constitués, généralement, par des batteurs du type décrit plus haut, et adaptés, par leur mouvement de va-et-vient, à absorber les ondes de houle qui se dirigent vers ledit batteur. il a, enfin, été envisagé de développer un générateurabsorbeur de houle constitué par un batteur dont le dispositif de pilotage reçoit deux signaux de commande superposés, l'un correspondant à une consigne de mouvement propre à la génération de la houle, l'autre correspondant à une consigne de mouvement propre à l'annulation d'un système d'ondes parasites. Un tel générateur-absorbeur de houle est particulièrement avantageux pour résoudre le problème important de la réflexion des ondes par la maquette étudiée, vers le générateur d'ondes. Une telle réflexion peut faire naître un système d'ondes stationnaires entre ce dernier et la maquette étudiée, pouvant fausser de manière importante les résultats de l'essai conduit sur cette maquette. Or, un générateurabsorbeur est particulièrement bien adapté à l'élimination d'un tel système d'ondes stationnaires. Cependant, les absorbeurs dynamiques et générateursabsorbeurs proposés à l'heure actuelle ne donnent pas entière satisfaction. Le problème essentiel qui se pose est celui du choix de la grandeur caractéristique de l'onde à absorber, en fonction de laquelle le mouvement du batteur sera commandé. I1 a été proposé de prendre comme paramètre la hauteur d'eau mesurée à l'aide de sondes disposées à une certaine distance en avant du batteur. Or, le pilotage du batteur en fonction de ce paramètre, qui implique notamment la mise en oeuvre d'une commande prévisionnelle du mouvement dudit batteur, ne permet pas une absorption efficace de la houle, notamment lorsque cette dernière est complexe. La présente invention vise notamment à simplifier et à rendre plus efficace la commande d'un dispositif absorbeur dynamique ou générateur-absorbeur. A cet effet, il est proposé un dispositif d'absorption dynamique de la houle en bassin d'essais, comprenant un batteur pourvu d'au moins un élément animé d'un mouvement de va-et vient, adapté à absorber, au moins partiellement, les ondes, composant la houle, se dirigeant vers la face active dudit élément, caractérisé en ce que ledit batteur comporte, sur sa face active, un moyen dynamométrique qui, comprenant au soins deux capteurs de force, est adapté à la détermination de valeurs représentatives des efforts hydrodynamiques exercés sur ladite face active, et en ce que ledit batteur est asservi en vitesse, la consigne de commande de l'asservissenent étant une combinaison linéaire des signaux fournis par lesdits capteurs de force. Ainsi, les signaux fournis par les éléments de mesure choisis ici sont directement exploitables pour commander le batteur. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description d'un exemple de réalisation qui va suivre, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue schématique, en élévation, d'une partie d'un dispositif d'absorption dynamique de houle suivant la présente invention; la figure 2 est une vue schématique, en coupe transversale, du dispositif selon la présente invention; la figure 3 est une vue d'un détail de la partie supérieure du dispositif représenté schématiquement à la figure 2; les figures 4 et 5 montrent deux exemples de diagrammes d'absorption correspondant à des réglages différents; et la figure 6 est un schéma de commande d'un dispositif d'absorption dynamique suivant la présente invention. Les figures 1 à 3 représentent un batteur 1 adapté à être installé dans un bassin d'essais. Dans l'exemple choisi, un tel batteur 1 comprend, de manière bien connue en soi, un premier élément 20 animé d'un mouvement de va-et-vient en translation par rapport au bassin, et un second élément 21, articulé sur le premier, par rapport auquel il est animé d'un mouvement de va-et-vient en rotation. Plus précisément, le premier élément 20 est un panneau adapté à coulisser le long du bassin, par exemple sur des rails intervenant au fond dudit bassin. En variante, ce panneau 20 peut être suspendu à des bielles, elles mêmes suspendues, par exemple, à un portique dressé au dessus du bassin. Dans ce dernier cas, au mouvement de translation horizontale du panneau 20 s'ajoute une légère composante verticale. Un tel panneau 20 s'apparente aux batteurs de type piston dont il a été question plus haut. Le second élément 21 est un volet articulé, par son côté inférieur, autour d'un axe 22 qui, comme on le voit sur la figure 2, s'étend le long du côté supérieur du panneau 20. Un tel volet 21 s'apparente aux batteurs de type volet articulé dont il a été question plus haut. Le batteur 1, combinant le panneau 20 et le volet 21, s'apparente donc aux batteurs "double effet" dont il a été question plus haut. Le panneau 20 est entièrement immergé dans le bassin. Quant au volet 21, normalement, il est également en grande partie immergé, seule une partie superieure émergeant, comme on le voit sur la figure 2. De manière bien connue en soi, un premier actionneur AX intervient entre un bord du bassin et le panneau 20, afin de commander le mouvement de translation de ce dernier. De manière également connue en soi, un second actionneur AY intervient entre un longeron (non représenté), solidaire du panneau 20, et le côté supérieur du volet 21, afin de commander le pivotement de ce dernier. En pratique, et comme on le voit bien sur la figure 1, plusieurs batteurs, semblables au batteur 1 qui vient d'être décrit, sont disposés côte à côte le long d'un bord du bassin en un agencement modulaire. Selon l'invention, des moyens dynamométriques 11 et 12 sont installés sur les faces actives, c'est-à-dire les faces tournées vers le bassin, respectivement du volet 21 et du panneau 20. Chacun de ces moyens dynamométriques est destiné à la détermination des efforts hydrodynamiques exercés sur la partie active de l'élément le portant. Formant des balances de paroi, ils sont chacun constitués par une plaque qui, allongée suivant la hauteur de la partie active de l'élément qui la porte, carre on le voit sur la figure 1, est liée avec ce dernier par deux capteurs de force intervenant à leurs niveaux respectifs sur ladite plaque. La présence de deux capteurs, alignés suivant la hauteur de l'élément qui les porte, permet bien tant la détermination d'une valeur représentative de la moyenne des efforts hydrodynamiques que la détermination d'une valeur représentative du moment de ces efforts. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, deux capteurs 4 et 5 portent la plaque dynamométrique 11 intervenant sur le volet 21, et deux capteurs 6 et 7 portent la plaque dynamométrique 12 intervenant sur le panneau 20. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les plaques 11 et 12 sont centrées par rapport à la largeur des faces actives des éléments 20 et 21. En outre, la plaque 11, centrée par rapport à la hauteur de la face active du volet 21, s'étend sur presque toute cette hauteur. Quant à la plaque 12, de même longueur que la plaque 11, elle ne s'étend que sur une partie supérieure du panneau 20. La figure 3 montre un exemple de montage de plaque dynamométrique selon l'invention. On voit, dans cette figure, qu'un logement est ménagé dans la face active du volet 21, la plaque dynamométrique 11 venant fermer ce logement. Dans ce logement, le capteur 4, à jauge d'extensomètrie, est, d'une part, fixé sur la partie arrière du volet 21 et, d'autre part, fixé à la plaque 11. Une lame souple d'étanchéité 2 est installée derrière la plaque 11, cette lame 2 étant maintenue par un cadre 3 vissé sur le volet 21. Bien entendu, la forme des moyens dynamométriques, leurs tailles et leurs dispositions, ainsi que le nombre et la disposition des capteurs correspondants peuvent être modifiées, dans la mesure où lesdites plaques dynamométriques restent adaptées à la détermination de valeurs représentatives de la moyenne et du moment des efforts hydrodynamiques. Quoi qu'il en soit, ces balances de paroi intégrées sur la face active des éléments constitutifs de l'amortisseur de houle ou du générateur-absorbeur de houle sont mis en oeuvre selon l'invention par exploitation des signaux délivrés de manière à fournir la loi de commande des actionneurs desdits éléments, sous forme explicitée en termes de vitesses. Cette loi de commande découle de la théorie dite linéarisée des générateurs de houle bien connue de l'home de l'art (cf. par exemple P. GUEVEL "La récupération de l'énergie des vagues" - Sciences et Techniques de l'Arsement, 1986, N 232) On sait ainsi que dans le cas d'un générateur à double effet du type considéré ci-dessus, on prend en considération:: - les amplitudes complexes A des mouvements de translation du piston et O des mouvements de rotation du volet; - les potentiels complexes correspondants - l'amplitude a de la houle produite - les fonctions de transfert des mouvements de translation et de rotation, c'est-à-dire le rapport de l'amplitude de la houle à l'amplitude du mouvement de translation du piston, d'une part, et à l'amplitude angulaire du mouvement du volet articulé, d'autre part; - l'amplitude complexe p de la pression hydrodynamique sur la face active du générateur. Toutes des grandeurs caractéristiques de la houle produite sont parfaitement connues dès lors qu'on a déterminé les potentiels complexes soit par une méthode analytique, soit par l'exploitation d'un calcul numérique et ceci pour chacune des fréquences de houle monochromatique auxquelles on pourra s'intéresser. On est alors en mesure d'expliciter la résultante des forces d'origine hydrodynamique qui s'exercent respectivement sur le panneau "piston", d'une part, et sur le panneau "volet articulé", d'autre part, et ceci pour chaque fréquence de houle considérée. En désignant par V1 à V4 les signaux délivrés aux bornes des quatre capteurs 4 à 7 de la figure 1, le calcul confirmé par l'expérience révèle de manière surprenante l'existence de quatre coefficients pondérateurs al à a4, constantes réelles susceptibles d'être choisies de manière à réaliser simultanément, non seulement la condition d'extinction de la houle réfléchie, c'est-à-dire du rapport R(o) de l'amplitude de la houle réfléchie à celle de la houle incidente, mais encore, et en plus, l'annulation de la dérivée de ce rapport en fonction de la fréquence de la houle. Grâce à ce résultat surprenant, l'invention permet d'élaborer une loi de pilotage de grande efficacité, puisqu'un amortisseur accordé sur une période houle donnée To reste efficace sur une grande plage de périodes T entourant To. Ceci est il lustre sur les diagrammes des figures 5 et 6 correspondant respectivement à des réglages d'extinction à To = 0,65s et To = 2s. Dans le cas où le dispositif est sollicité par une houle complexe, il peut être accordé sur une période egale ou voisine à la période de pic de cette houle. Chacune des composantes de la houle complexe sera amortie selon la loi de variation établie ci-dessus ; en effet, les lois de pilotage adoptées sont indépendantes de l'amplitude et de la phase des composantes de la houle incidente. Selon le schéma de principe d'une commande illustrée schématiquement à la figure 6, on retrouve de gauche à droite: - une colonne K de bornes de sortie numérotées de 1 à 4 correspondant respectivement aux capteurs 4 à 7 de la figure 1; - une colonne d'amplificateurs opérationnels correspondants AO mettant à niveau les signaux des capteurs respectifs - les tensions V1 à V4 délivrées par ces amplificateurs sont appliquées à l'entrée de multiplieurs respectifs M, chacun de ces multiplieurs étant adapté à appliquer aux tensions respectives un coefficient multiplicateur a1....a4 individuellement réglable - les signaux aiVi ainsi élaborés sont dirigés sur un sommateur S délivrant donc à sa sortie un signal SaiVi. Ce signal est appliqué à l'entrée de l'actionneur AX réalisant la loi de commande X(t) du mouvement de translation du piston 20. Le même signal est appliqué par l'intermédiaire d'un multiplieur/diviseur MD de rapport ajustable à l'actionneur BT de commande de la rotation e(t) du volet 21. Alors que l'on a considéré jusqu'ici les applications à un absorbeur dynamique, l'invention se prête de façon aussi directe que possible à la réalisation d'un générateurabsorbeur. Dans une telle hypothèse, en revenant sur le schéma de la figure 6 il suffira d'y prévoir pour la commande de 1'actionneur AX du mouvement de translation du piston par exemple, une autre source adaptée à lui appliquer une tension de commande Vc pour génération de la houle requise. Les capteurs de mesure vont continuer à assurer leur rôle et le pilotage selon l'invention de l'action d'absorption se superposera au pilotage de l'action génératrice en raison de la linéarité pratiquement parfaite des phénomènes mis en jeu. Pour la détermination par le calcul des quatre coefficients pondérateurs mis en évidence selon la présente invention, on part de la considération du fait que l'on actionne le piston et le volet articulé selon des lois sinusoidales de mêmes pulsations que celles de la houle incidente ; on produit donc une onde de radiation. On fait la somme des potentiels des deux ondes incidents et réfléchis et l'on écrit la condition d'extinction de l'onde résultante par annulation de cette somme. Les capteurs de force qui équipent les deux balances de paroi délivrent à tout instant des signaux proportionnels à la résultante et au moment résultant des efforts de liaison qu'ils exercent sur chacun des éléments de mesure 11, 12. Les efforts de liaison ont des amplitudes complexes de la forme F p = (Eo2NGp,1+Bp,1) 1+i#Bp,1) A+ (-#MGp 2+i#Bp,2) #,p = 1,2,3,4, où MGpq = coefficient de masse généralisé (masses structurelles + masses d'eau ajoutée) Bpg = coefficient d'amortissement d'onde. La mise sous forme explicite de ces relations en fonction des grandeurs temporelles X (#) et e(1) conduit à quatre équations de la forme où les coefficients de pondérisation ap sont des constantes réelles choisies de telle sorte que 1'on ait # ap Mp = 0 # a p M'p = 0 # ap B'p = 0 où M'p et B'p étant les dérivées par rapport à X de Mp et Bp. En imposant par exemple a1 = 1, la résolution du système linéaire ci-dessus de trois équations à trois inconnues fournit les valeurs de a2, a3 et a4. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'absorption dynamique de la houle en bassin d'essais, comprenant un batteur (1) pourvu d'au moins un élément (20, 21) animé d'un mouvement de va-et-vient, adapté à absorber, au moins partiellement, les ondes, composant la houle, se dirigeant vers la face active dudit élément, caractérisé en ce que ledit batteur (1) comporte, sur sa face active, un moyen dynamométrique (11, 12) qui, comprenant au moins deux capteurs de force (4, 5, 6, 7), est adapté à la détermination de valeurs représentatives des efforts hydrodynamiques exercés sur ladite face active, et en ce que ledit batteur est asservi en vitesse, le signal de consigne de commande de l'asservissement étant une combinaison linéaire des signaux fournis par lesdits capteurs de force. 2. Dispositif d'absorption selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux issus des capteurs sont appliqués à l'entrée de multiplieurs (M) respectifs qui, individuellement reglables, sont adaptés à appliquer auxdits signaux des coefficients multiplicateurs respectifs (Q1w Q2 a3, a4), les signaux issus de-ces multiplieurs étant ensuite dirigés sur un sommateur (S). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément (20) animé d'un mouvement de va-et-vient de translation par rapport au bassin, et un second élément (21), articulé sur le premier, par rapport auquel il est animé d'un mouvement de va-et-vient en rotation, chacun desdits éléments comportant un moyen dynamométrique (12, 11) comprenant, au moins, deux capteurs de force (6, 7, 4, 5), une combinaison linéaire des signaux issus de l'ensemble des capteurs intervenant sur les deux éléments formant un signal de consigne d'asservissement en vitesse du batteur. 4. Dispositif d'absorption selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal issu du sommateur (S) est appliqué, d'une part, à l'entrée d'un premier actionneur (AX), pour commander le mouvement du premier élément (20), et, d'autre part, par l'intermédiaire d'un multiplicateur diviseur (MD) de rapport ajustable à 1' entrée d'un second actionneur (AT), pour commander le mouvement du second élément (21) 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen dynamométrique (11, 12) est une plaque allongée suivant la hauteur de la partie active de l'élément qui la porte, et est lié avec ce dernier par deux capteurs de force (4, 5, 6, 7) disposés à proximité de l'une et l'autre extrémité de ladite plaque. 6. Dispositif d'absorption selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de consigne provenant des capteurs de force est superposé à un autre signal de consigne (Vc) propre à commander un mouvement de va-et-vient du batteur (1), adapté à la génération d'une houle donnée, de sorte que ledit dispositif d'absorption de houle constitue, en fait, un générateur-absorbeur.