Brevet FR2947313A1 — publié le 20101231

La présente invention concerne le domaine des moyens pour réduire la traînée due à l'écoulement d'un fluide sur une paroi, par exemple une aile, une 10 pale, un aubage ou un mat. L'invention est fondée sur l'utilisation optimisée de surfaces structurées. La présence de micro structures à la surface d'une paroi en déplacement par rapport à un fluide permet, sous certaines conditions, de réduire la traînée aérodynamique (ou hydraulique) sur cette paroi, que cette paroi soit fixe soumise à 15 un fluide mobile ou l'inverse. Une surface structurée agit sur un écoulement turbulent en réduisant certaines fluctuations de vitesse (structures turbulentes), principalement, celles se situant au niveau de la sous couche turbulente (entre couche laminaire et écoulement pleinement turbulent). De par sa géométrie, une surface structurée tend à augmenter la surface en contact avec l'écoulement et, 20 par conséquent, à augmenter les pertes visqueuses. Toutefois, avec une géométrie adaptée à l'écoulement, la réduction des pertes turbulentes associée à la surface structurée est nettement supérieure à l'augmentation des pertes visqueuses. Les surfaces structurées peuvent être utilisées pour réduire les pertes de charge dans les conduites de gaz ou de liquide (écoulement turbulent) ou pour 25 réduire la friction turbulente dans les machines tournantes ainsi que pour tout mode de transport en déplacement relatif avec un fluide (train, voiture, avion, bateau). Concernant les machines tournantes, leur utilisation s'adresse aussi bien aux compresseurs, "expandeurs", pompes, turbines (à gaz, à vapeur ou à liquide) qu'aux éoliennes et hydroliennes. A l'intérieur d'une machine tournante, les surfaces structurées peuvent être utilisées aussi bien sur les parties fixes que sur les parties mobiles lorsque celles-ci sont en déplacement relatif par rapport à un écoulement turbulent. Alors que dans le cas d'une conduite, la direction principale des structures est parallèle à l'axe de la conduite (écoulement principal), dans le cas d'un interne d'une machine tournante, cette direction devant rester parallèle à celle de l'écoulement local, la forme des structures associée à la direction peut prendre des allures particulièrement complexes et dépendantes de l'interne en question (forme gauche sur l'extrados d'une aile, forme circulaire radiale sur un disque ou un couvercle, forme circulaire cylindrique sur un annulaire). Concernant les machines tournantes, les micro structures sont principalement destinées à l'augmentation du rendement hydraulique ou aérodynamique. Dans le cas d'une éolienne ou d'une hydrolienne, l'utilisation de surfaces structurées sur les parties mobiles, telles que les pales, vise principalement à augmenter le rendement aérodynamique et ainsi la puissance générée. En revanche, l'utilisation de ces structures sur les parties fixes (nacelle et mât) vise plutôt à réduire les efforts mécaniques sur la structure. Il convient toutefois de noter que la réduction de la friction turbulente au niveau des pales (éolienne ou hydrolienne) se traduisant par une réduction de la traînée aérodynamique a pour conséquence, une réduction de la force s'appliquant axialement sur le rotor et, de ce fait, une réduction du moment de flexion s'exerçant sur le mât supportant le rotor des éoliennes ou des hydroliennes. Par ailleurs, une réduction de la friction turbulente s'associe à une réduction de l'intensité turbulente au voisinage des pales dont la fréquence se situe en grande partie dans le domaine audible. Il s'en suit une réduction du niveau sonore émis par le passage du fluide à proximité des pales. Cette réduction de l'amplitude des ondes acoustiques est bénéfique aussi bien pour les éoliennes (transmission des ondes dans un milieu fluidique gazeux) visant à réduire les nuisances sonores aux populations de proximité que pour les hydroliennes (transmission des ondes dans un milieu fluide liquide) visant à la protection de la faune aquatique. En conséquence, il apparaît très avantageux de tenter d'optimiser les moyens de réduction de la traînée. Ainsi, la présente invention concerne un système de réduction de la force de traînée appliquée sur une paroi soumise à un écoulement d'un fluide comprenant des surfaces structurées de formes géométriques déterminées. Le système comporte un ensemble évolutif de surfaces structurées de formes géométriques différentes et déterminées en fonction des différentes conditions d'écoulement existantes le long de la paroi. Le système peut comporter des surfaces structurées de forme évolutive dans le sens transversal par rapport à la direction principale de l'écoulement. Le système peut comporter des surfaces structurées de forme évolutive dans le sens longitudinal par rapport à la direction principale de l'écoulement. Le système peut comporter des surfaces structurées de forme bi 15 dimensionnelle ou tri dimensionnelle. La paroi peut constituer une pale animée d'un mouvement rotatif. La paroi peut constituer l'extrados d'une aile. L'invention concerne également une méthode de réduction de la force de traînée appliquée sur une paroi soumise à un écoulement d'un fluide comprenant 20 des surfaces structurées de formes géométriques déterminées. Selon l'invention, on constitue un ensemble évolutif de surfaces structurées de formes géométriques différentes et déterminées en fonction des différentes conditions d'écoulement existantes le long de la paroi. On peut déterminer les surfaces structurées évolutives selon une direction 25 transversale par rapport à la direction principale de l'écoulement. On peut déterminer les surfaces structurées évolutives selon une direction longitudinale par rapport à la direction principale de l'écoulement. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, nullement limitative, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: les figures 1, 2 et 3 montrent des formes structurées bidimensionnelles, la figure 4 illustre l'application des formes structurées aux pales d'éoliennes, les figures 5 et 6a, 6b démontrent l'intérêt des formes structurées évolutives selon l'invention, les figures 7a et 7b montrent des représentations de surfaces structurées bidimensionnelles de forme mono évolutives, les figures 8 et 9 montrent des représentations de surfaces structurées bidimensionnelles de forme bi évolutives, les figures 10 et 11 montrent des représentations de surfaces structurées tridimensionnelles de forme bi évolutives, les figures 12 et 13 montrent une variante de représentations de surfaces structurées tridimensionnelles de forme bi évolutives, la figure 14 illustre l'application de surface structurée à une machine tournante. Les surfaces structurées peuvent être classées en plusieurs catégories, en particulier, selon leur forme et leur performance hydrodynamique ou aérodynamique. Formes bi dimensionnelles : Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent s'assimiler à des rainures orientées dans la direction de l'écoulement, comme représenté sur la figure 1 (Publication de D. Bechert). Bien que le mode de dimensionnement de ces structures soit connu de l'homme du métier, il est cependant rappelé ci-après. La forme de base (dans le plan perpendiculaire à l'écoulement) est variable, par exemple, triangulaire, incurvée, trapézoïdale ou en lame de couteau. Pour obtenir une efficacité élevée, la forme structurée doit présenter une forte concavité, comme illustré sur les figures 2.b, 2.c et 2.d. La réduction de traînée se situe entre 6 et 12 % dépendant de la forme transverse de la structure. Formes tri dimensionnelles : Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent comporter des formes relativement complexes intégrant plusieurs mécanismes de réduction de traînée aérodynamique. Par exemple, on peut obtenir des surfaces structurées tri dimensionnelles à partir d'une surface structurée bi dimensionnelle superposée à une onde transverse ou encore superposée à deux ondes orthogonales (l'une parallèle (transverse) et l'autre perpendiculaire (méridienne) à la surface). On peut citer le document FR-2899945 ou FR-08/01331. La réduction de traînée aérodynamique ou hydraulique est optimale lorsque la dimension et les formes des structures est adaptée aux caractéristiques de l'écoulement relatif à la paroi, principalement, la masse volumique, la viscosité et la vitesse du fluide relativement à cette paroi. La longueur de friction est définie par : l /Viction fP avec ,u et p représentant respectivement la viscosité dynamique et la 20 masse volumique du fluide. La vitesse de friction est définie par : Vfriction avec V représentant la vitesse moyenne du fluide. Le facteur de friction Cf est calculé d'après les équations de Blasius ou 25 Prandtl, selon la valeur du nombre de Reynolds, comme il est connu de l'homme du métier. Par exemple pour Re=14000, le facteur de friction C f = 0.316" eo.zs soit Cf = 0.029 La hauteur adimensionnelle des "riblets" est : h+ = h / l f La largeur adimensionnelle des "riblets" est : s+ = s l l f où, h et s sont respectivement la hauteur et la largeur réelles des structures. La largeur optimale des structures est obtenue lorsque s+ est de l'ordre de 15 à 20. La hauteur optimale h+ dépend de la forme des structures variant sensiblement entre 0.5*s+ dans le cas d'une forme relativement rectangulaire (lame de couteau) et 0.85*s+ dans le cas d'une forme triangulaire sensiblement équilatérale. Lorsque la largeur des structures est trop faible, la réduction de traînée est inférieure à celle correspondant à la largeur optimale. Elle tend vers 0 lorsque la largeur des structures tend vers O. Lorsque la largeur des structures est trop grande, la réduction de traînée est également diminuée. Elle est égale à 0 lorsque la largeur des structures est environ le double de la largeur optimale. Au delà de ce seuil, la traînée est supérieure à celle d'une surface lisse. Ces deux exemples (structures trop petites ou trop grandes) montrent qu'il est nécessaire d'adapter les dimensions d'une surface structurée aux conditions locales de l'écoulement ou tout au moins d'utiliser des dimensions aussi proches que possible des dimensions optimales. Le cas le plus simple de dimensionnement de surfaces structurées peut être illustré par le transport d'un liquide dans une conduite. Dans cette situation, la vitesse variant très peu entre la sortie et l'entrée de la conduite, s'il en va de même pour la température (par conséquent, peu de variation de la viscosité), la dimension optimale des structures est sensiblement la même sur toute la longueur de la conduite. Dans le cas d'une conduite transportant un gaz, il n'y a pas non plus de difficultés particulières dans le dimensionnement des structures à condition que la température varie peu entre l'entrée et la sortie et que les conditions de pression et température soient relativement éloignées du point critique, l'augmentation de la vitesse du gaz en sortie étant sensiblement compensée par une diminution de la pression (masse volumique). Dans ces deux cas, le fonctionnement optimal d'une surface structurée est obtenu pour une même dimension de structure entre l'entrée et la sortie de la conduite de transport. La forme de la structure s'apparente à celle représentée sur la figure 3. La partie gauche de la figure 3 représente les micro structures selon une vue perpendiculairement à la paroi, tandis que la partie droite de la figure représente une vue tangentiellement à la paroi (coupe selon AA'). L'extrados d'une aile d'avion, d'une aube de machine tournante ou d'une pale (d'éolienne ou d'hydrolienne ù figure 4) peut tout également être recouvert de surfaces structurées en vue d'une réduction de la friction turbulente avec une forme s'apparentant à celle de la figure 3. Dans cette éventualité, la dimension des structures étant unique, il conviendra de vérifier qu'elle reste proche des conditions optimales localement. En particulier, il faut s'assurer que la dimension des structures n'est pas trop grande et, plus précisément, qu'elle reste inférieure à 2 fois la dimension optimale. En effet, au delà de ce seuil, la surface structurée pourrait générer non pas une diminution, mais au contraire une augmentation de la traînée par rapport à une surface lisse. En amont d'une aile d'avion, l'écoulement relatif est généralement sensiblement le même le long de l'aile, de son point d'attache sur le fuselage vers l'extrémité libre. Le développement de la couche limite reste relativement similaire d'une extrémité à une autre. En revanche, sur la surface de l'aile, l'écoulement qui se développe du bord d'attaque vers le bord de fuite, se caractérise par une très faible épaisseur de couche limite au bord d'attaque et par une augmentation progressive de cette épaisseur en direction du bord de fuite. La figure 6.a représente le développement d'une couche limite sur une plaque plane avec une incidence nulle, en donnant en ordonnée la variation générale du rapport de vitesses U(x,y)/U° le long d'une plaque plane à partir du point d'incidence en fonction de g=y[UJux]°'S. Dans une telle situation, les structures turbulentes se développent sensiblement selon l'épaisseur de la couche limite. Il s'avère donc que leur atténuation ne peut pas être contrôlée avec la même efficacité par une même dimension de surface structurée. Selon l'invention, on utilise une dimension de structure en augmentation du bord d'attaque vers le bord de fuite. Cette augmentation des dimensions peut être réalisée de façon discrète ou de façon continue. Dans le cas d'une évolution discrète (selon la représentation de la figure 8), il est nécessaire de s'assurer que la dimension de la structure est toujours proche de la condition optimale, par exemple, s+ supérieur à 0.5*s+opt et inférieur à 1.5*s+opt. Ce type de surface structurée évoluant seulement dans la direction principale de l'écoulement est désigné par "mono évolutif de type 1". Les parties gauche de la figure 8 représentent les micro structures selon une vue perpendiculairement à la paroi avec une augmentation de largeur du bord d'attaque vers le bord de fuite tandis que la partie droite de la figure 8 représente une vue tangentiellement à la paroi (coupe selon AA') avec une augmentation de profondeur des structurations, du bord d'attaque vers le bord de fuite. La figure 6.a représente l'évolution de la vitesse U(x,y) à proximité d'une plaque plane avec une incidence nulle en fonction de x (la distance en aval du point d'incidence), y (la distance à la plaque) et U0 (la vitesse très en amont de la plaque). La figure 6.a représente la variation de U(x,y)/U° en fonction de g avec UO os g = yù et avec v =,u/ p vx La figure 6.b représente l'évolution de l'épaisseur (micron) de la couche 25 limite en fonction de la distance au point d'incidence (mètre) pour trois vitesses relatives (km/h) dans de l'air. En amont d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne, la vitesse relative du fluide augmente proportionnellement avec la distance à l'axe de rotation (figure 5). 30 Dans cette condition, l'épaisseur de la couche limite diminue avec une augmentation de la distance à l'axe de rotation comme mis en évidence par la figure 6b. Sur cette figure, l'évolution de l'épaisseur d'une couche limite est représentée dans le cas d'une plaque plane à partir du point d'incidence pour trois vitesses amont (72, 144 et 216 km/h). Tout comme l'épaisseur de la couche limite, la taille des structures turbulentes diminue lorsque la distance à l'axe de rotation augmente demandant une diminution de la taille des surfaces structurées, de manière à contrôler de façon optimale l'évolution de la turbulence et s'approcher de la condition optimale de réduction de traînée. Par conséquent, contrairement à une aile d'avion, dans le cas d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne, il est nécessaire de faire diminuer la taille des structures de l'axe de rotation vers l'extrémité de la pale, comme représenté sur la figure 7b. Ce type de surface structuré évoluant dans une direction perpendiculaire à la direction principale à l'écoulement est désigné par " mono évolutif de type 2". A la surface d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne, les caractéristiques de l'écoulement (vitesse, taille des structures turbulentes) évoluant dans les deux directions de la pale (parallèlement et perpendiculairement à la direction principale de l'écoulement), il est avantageux d'utiliser une surface structurée évoluant, à la surface de la pale, dans les deux directions de façon à respecter en tout point les conditions optimales locales de réduction de traînée et de réduire ainsi la traînée globale. Ainsi, une surface structurée dite bi dimensionnelle dont la structure de base s'apparente à une rainure (pas d'onde transverse) sera optimale si elle évolue dans les deux directions comme représenté sur les figures 8 et 9. Ces figures représentent la variante d'une forme structurée bi dimensionnelle évoluant de façon discrète. Un gain de performance (en terme de réduction de traînée) peut encore être obtenu par l'utilisation de formes tri dimensionnelles. - Structuration tri dimensionnelle avec une seule onde transversale (type 3D2), par exemple décrit dans le document FR-2899945 cité ici en référence. - Structuration tri dimensionnelle avec deux ondes orthogonales (type 3D3), par exemple décrit dans le document FR-08/01331 cité ici en référence. Les figures 10 et 11 représentent l'évolution d'une forme tri dimensionnelle de type 3D2, le long d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne, à la fois du bord d'attaque vers le bord de fuite et en fonction de la distance à l'axe de rotation. L'évolution de la dimension de base de la forme tri dimensionnelle est représentée ici de façon discrète, les dimensions locales étant toujours relativement proches de la condition optimale, soient légèrement inférieures, soient légèrement supérieures. Bien que cela ne soit pas illustré ici par une figure, l'invention comprend également la forme évolutive de façon discrète d'une forme structurée tri dimensionnelle de type 3D3, ou de toute autre forme tri dimensionnelle dont la dimension locale moyenne est, soit légèrement supérieure, soit légèrement inférieure, à la dimension correspondant à la condition optimale. Les figures 12 et 13 représentent l'évolution d'une forme bi dimensionnelle, le long d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne, à la fois du bord d'attaque vers le bord de fuite et en fonction de la distance à l'axe de rotation. L'évolution de la dimension de base de la forme bi dimensionnelle est représentée dans cette variante de façon continue, les dimensions locales étant ajustées au plus près en fonction de la condition optimale. Bien que cela ne soit pas représenté ici, l'invention comprend également la forme évolutive de façon continue de toute forme structurée tri dimensionnelle avec laquelle la dimension locale est ajustée à la condition optimale. Selon l'invention, une forme évolutive de surface structurée mono évolutive (dans une seule direction) ou bi évolutive (dans deux directions) peut s'appliquer dans de nombreux domaines industriels : - les internes d'une machine tournante (figure 14) comprenant les aubes, disques ou couvercles des éléments tournants (impulseurs, roues) ou des éléments fixes (redresseurs, distributeurs), les ailes, ailettes, gouvernes de direction ou de profondeur, fuselage 5 d'un avion, les pales d'hélicoptère, le carénage, la carrosserie, le fuselage, la coque d'un train, d'un navire ou d'un missile, - d'une façon générale, tout équipement soumis à un développement de 10 couche limite dû à un écoulement. Les surfaces structurées peuvent être réalisées de différentes façons sur le support à structurer. On peut ainsi envisager, entre autres, la structuration de la pièce au stade même de la fabrication, le collage d'un film structuré, l'usinage de 15 la pièce et l'application d'un moule sur un revêtement recouvrant la pièce à structurer. Le moule structurant peut servir à la fabrication de la pièce devant être structurée en surface. Dans ce cas, le moule sera préférentiellement rigide. 20 Le moule structurant peut être appliqué sur la surface d'un revêtement déposé préalablement sur le support. Dans ce cas, le moule sera préférentiellement souple de façon à pouvoir s'appliquer facilement sur des surfaces non planes ou être appliqué par gonflage. Le moule peut lui même être 25 fabriqué par moulage sur un moule primaire présentant le dessin à reproduire sur la surface finale. L'usinage du support final ou du moule primaire peut être réalisé de différentes façons. Le choix de la méthode dépend de la forme et de la matière du 30 support ainsi que de la taille et de la forme des structures : électroérosion (rainures bi dimensionnelles), usinage mécanique (rainures droites de grande dimension), usinage grande vitesse, ablation laser (structures de petite dimension ou tri dimensionnelles). REVENDICATIONS1) Système de réduction de la force de traînée appliquée sur une paroi soumise à l'écoulement d'un fluide comprenant des surfaces structurées de formes géométriques déterminées, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble évolutif de surfaces structurées de formes géométriques différentes et déterminées en fonction des différentes conditions d'écoulement existantes le long de ladite paroi. 2) Système selon la revendication 1, qui comporte des surfaces structurées de forme évolutive dans le sens transversal par rapport à la direction principale de l'écoulement. 3) Système selon la revendication 1, qui comporte des surfaces structurées de forme évolutive dans le sens longitudinal par rapport à la direction principale de l'écoulement. 4) Système selon l'une des revendications précédentes, qui comporte des 20 surfaces structurées de forme bi dimensionnelle ou tri dimensionnelle. 5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite paroi constitue une pale animée d'un mouvement rotatif. 25 6) Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite paroi constitue l'extrados d'une aile. 7) Méthode de réduction de la force de traînée appliquée sur une paroi soumise à l'écoulement d'un fluide comprenant des surfaces structurées de formes géométriques déterminées, caractérisé en ce que l'on constitue un ensemble évolutif de surfaces structurées de formes géométriques différentes et déterminées en fonction des différentes conditions d'écoulement existantes le long de ladite paroi. 8) Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on détermine les surfaces structurées évolutives selon une direction transversale par rapport à la 10 direction principale de l'écoulement. 9) Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on détermine les surfaces structurées évolutives selon une direction longitudinale par rapport à la direction principale de l'écoulement. 15