EP0093759A1 - Engin de prelevement selectif d'une couche de liquide leger a la surface d'une nappe d'eau. - Google Patents

Engin de prelevement selectif d'une couche de liquide leger a la surface d'une nappe d'eau.

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EP0093759A1
EP0093759A1 EP82903459A EP82903459A EP0093759A1 EP 0093759 A1 EP0093759 A1 EP 0093759A1 EP 82903459 A EP82903459 A EP 82903459A EP 82903459 A EP82903459 A EP 82903459A EP 0093759 A1 EP0093759 A1 EP 0093759A1
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EP
European Patent Office
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wing
flow
machine according
water
floor
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Henry Benaroya
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CADOUX JEAN ELIE
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CADOUX JEAN ELIE
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B15/00—Cleaning or keeping clear the surface of open water; Apparatus therefor
    • E02B15/04—Devices for cleaning or keeping clear the surface of open water from oil or like floating materials by separating or removing these materials
    • E02B15/046—Collection of oil using vessels, i.e. boats, barges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/32—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for for collecting pollution from open water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S210/00—Liquid purification or separation
    • Y10S210/918—Miscellaneous specific techniques
    • Y10S210/922—Oil spill cleanup, e.g. bacterial
    • Y10S210/923—Oil spill cleanup, e.g. bacterial using mechanical means, e.g. skimmers, pump

Definitions

  • the present invention relates to a device for selective sampling of a layer of light liquid, such as a hydrocarbon, floating on the surface of a sheet of water likely to be subjected to swell, usable in particular for depolluting areas covered with a layer of oil following accidental spills.
  • a layer of light liquid such as a hydrocarbon
  • the polluting hydrocarbon is in the form of a thin layer (of the order of a millimeter) consisting of a hydrocarbon phase which can be very viscous as a result of the evaporation of the light components or by a multiphase hydrocarbon emulsion with seawater and / or air, following the mixing caused by the blades.
  • the machine must be designed to clean up on each pass over a width as large as possible.
  • the water inevitably withdrawn at the same time as the pollutant must represent as small a fraction as possible of the extracted and stored part. Obtaining this latter result is thwarted by the very low ratio between the thickness of the pollutant layer and that of the water layer which it is necessary to capture because of the level variations due to particular to swell.
  • Patent application FR-A-2467769 describes a machine of a type which comprises a hull provided with propulsion means making it possible to keep it in flight, the hull having a central part projecting forward with respect to two lateral parts which delimit with the central part of the conduits for supplying separators and the central part having deflecting means, such as wings, to create vortices whose orientation tends to reduce the divergence of the surface flow around of the hull.
  • the deflector means achieve a double result.
  • the craft and sweeps the sea between two current lines, upstream, ' have a much larger spread than they would have in the absence of these means; correlatively, there is a thickening of the layer of light liquid at the inlet of the supply conduits. Because the sample is taken in flight, the wake of the ship dampens the swell.
  • the invention aims in particular to provide a sampling device in which a progressive thickening of the layer of light liquid is carried out throughout a flow in an open vein until separation by a vortex process with a free surface, vertical axis and central sample.
  • each duct or channel comprises a floor with offset profile, the leading edge of which projects in front of the ducts, intended to slow the flow upstream of the leading edge and to cause a gradual thickening of the layer, and in that it is separated by a partition approximately vertically on a part of its height ending a dis- tance • a horizontal limit of the water blade into two sub-channels one of which communicates with the upstream-inlet duct and, downstream, with the separator, and the other of which, separated from the first by the partition, opens downstream into pumping and discharge means at the rear of the machine.
  • the partition is advantageously swollen at its lower part, located at a distance from the floor, in order to limit the curvature of the paths of the liquid which passes from one subchannel to the other; the total section of the two sub-channels is substantially constant in the direction of flow, the section of the first sub-channel decreasing while the other increases.
  • Thickening is thus carried out by three successive phenomena in a vein with a free surface:
  • the channel floor is advantageously constituted by a thick partition whose sections by vertical planes parallel to the plane of symmetry of the hull are offset profiles, therefore having a very convex lower face 5.
  • the underside descends approximately to a depth equal to the draft and then rises backward.
  • the upper face will then have a horizontal threshold parallel to the leading edge and submerged to a depth equal to approximately 0 x 1/3 of the draft and, behind this threshold, will descend to the compatible limit depth with the thickness required for the mechanical strength of the board the initial increase in the depth of the duct has simplified the trust problem of the loss of useful cross section 5 due to the partition between the two subchannels SINCE it compensates for this loss by increasing the total cross-section available.
  • the vertical partition joins the inner side wall of the supply sub-channel. / TlR
  • the leading edge of the partition definitively separates the supply sub-channel, which therefore acts as an injection gutter for the vortex in the open vein of the separator, from the discharge sub-channel which becomes a simple exhaust channel, the entire flow of which is sucked in by a pump which can be a means of propelling the machine.
  • O successively has a fraction constituting a damping bowl, then a loaded portion opening into the pumping means.
  • the sub-channel is full-walled, so that the pumps can only suck water that has entered the sub-channel by passing above or below the partition.
  • the subchannel which opens into the pumping means is advantageously provided with water supply means from the water table provided to provide an additional flow to the pumping means, at least when the level in this channel drops to or exceeds a determined level.
  • These means for providing a make-up flow can be limited to an opening for communication with the sheet of water formed in the wall of the sub-channel, advantageously in the floor.
  • This opening will generally be placed at the entrance to the part in charge of the subchannel which opens into the pumping means or immediately upstream.
  • the entry of the loaded part may constitute a threshold projecting downward relative to the downstream portion, so as to better avoid the aspiration of air towards the pumping means.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the plan shape of the buoyancy device and a possible shape of the front wing for creating vortices and the rear wing for damping the swell;
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the hull and the wings of the machine of Figure 1;
  • FIG. 3 and 4 show, respectively in plan and elevation, the arrangement of a wing before creation. deflection vortices
  • FIGS. 5 and 6 show, respectively in plan and in elevation (line VI-VI of FIG. 5), a possible form of wing and wing for raising the rotation;
  • FIG. 7 and 8 show, respectively in plan and in the direction VIII of Figure 7, a wing shape constituting a variant of that of Figures 5 and 6;
  • FIG. 9 is a diagram showing the general shape of the floor of an intake duct, in section along a vertical surface
  • FIGS. 10A to 106 are cross-sectional views showing a possible development of the shape of the floor and the vertical wing located at the intake orifice;
  • FIG 11 is a perspective diagram showing the splitting of the duct into two sub-channels by an oblique partition;
  • FIG. 12 is a block diagram, in section along a vertical plane, showing the appearance of a centrifugal separator with free surface fed by one of the subchannels of Figure 11;
  • Figure 13 is a section, similar to Figures 10, showing the shape of the profile of the rear wing;
  • FIGS. 14 and 15 are block diagrams, respectively in plan and in elevation, showing a constitution of the second subchannel so as to avoid surges in the conduit;
  • FIG. 16 shows a possible constitution of an annular wing to further increase 1 thickening of the layer of light liquid upstream of the conduits
  • FIG. 19 is a curve showing the variation of the feed rates of a subchannel and suction by the pump as a function of time
  • FIG. 20 is a block diagram, in vertical section, showing the variations in the water level in the damping chamber, in the case of an arrangement of the kind shown in Figure 11; - Figure 21, similar to Figure 20, corresponds to a mode of r embodiment of the invention.
  • the lateral surfaces must extend approximately vertically, at least up to a depth which is chosen according to the maximum wave trough for which the machine is designed. In practice, this verticality is ensured up to a depth which is of the order of half the draft D of the machine.
  • the surfaces 13 are thus formed by the wall of the central part 10 of the hull, starting from the bow which must be designed to limit as much as possible the bow wave which creates turbulence.
  • Each external surface 14 is materialized by the internal wall of a lateral part 11, from the bow 30 of the latter, which will be hampered. Payment located mid-length of the hull.
  • Figure 1 shows that one thus arrives at a shape which, between the bow of the central part 10 and a point approximately half-length of the ship, corresponds to the forward half of a conventional ship hull. Between each bow of a lateral part 11 and the stern, the water line corresponds substantially to the rear half of a monohull ship having a master torque greater than that of the central hull 10.
  • the overall shape parameters of the machine (and in particular the total length L, the overall width 21_ and the grip width 2 j) must be proportional to each other to ensure satisfactory flow.
  • the ratio L / 21_ will remain between approximately 3.6 and 4.
  • the ratio 1 / lc will be between 1.5 and 2.5, a value of the order of 2 being generally satisfactory.
  • a third important parameter is the ratio D / L " of the draft to the length. But the choice of this ratio must take into account different requirements depending on whether it is a machine intended to work offshore or in the immediate vicinity of the coast.
  • the length L will generally be greater than 75 m and D / L will then be determined by the maximum value that can be given to D for a pollution control work, generally less than 12 m: we arrive at a value less than 0.1, that is to say a very flat machine.
  • the most frequent devices intended to operate near the coasts will have a length of less than 75 m and, in this case, a value of D / L can be adopted between 0.14 and 0.16.
  • D / lc ratio which is also important, it will also be very different depending on whether it is a deep sea craft, where we will have D / lc ⁇ 0.9, or coastal, where we will have D / lc ⁇ 2.25.
  • the flow rate sampled by the separator dip tube must be at least two orders of magnitude less than this inlet flow rate, which leads to the search for thickening of the layer of light liquid before admission to the separators. This thickening will be carried out in several stages, under the action of components placed in series and which will be successively described.
  • Front deflector means As in the case of the machine described in document FR-A-2467769, deflector means are provided for converging the threads of liquid on the surface, without however causing phenomena of surge or jump.
  • these means comprise a jagged front wing 17, provided with fins 18 directed upwards, the feet of which converge forward and whose role will be explained below.
  • This is an arrangement which differs from that of document FR-A-2467769 only by the presence of the ailerons, The wing 17, with positive lift, creates vortices causing convergence on the surface.
  • the deflector means consist of a wing
  • the latter must generate marginal eddies whose efficiency (measured by the relative transverse displacement of the water streams which it causes on the surface) is as high as possible without causing surges in surface, for a given speed of the machine.
  • the transverse displacement is proportional to the circulation of the vortex created by the wings. It increases with the distance, projected on the longitudinal axis, which separates the stem 30 from the lateral part of the origin of the vortex, as well as with the distance which separates the vortex from the plane of symmetry.
  • FIGS. 7 and 8 Another solution, shown in FIGS. 7 and 8, consists in giving the end portion of the wing 31 a "rolled up" shape: this latter solution will generally be preferable in the case of machines with a deep draft. Again, the bisector plane of the terminal part of the wing, having a large dihedral, must be strongly inclined on the median plane of the ship ( Figures 7 and 8).
  • the threshold a depth D of the order of one third of the draft D of the ship and this choice is only possible with a significant slowdown.
  • This slowdown can be obtained by delimiting the open lavatory below by a floor 33 having a general shape of a horizontal wing with negative lift.
  • the general shape of the profile, along the dashed line in FIG. 1, can then be that shown in FIG. 9.
  • the wing has a wingspan equal to 1. Its leading edge is at a depth of the order of D / 2 if the threshold is at a level of D / 3.
  • a first palliative consists in extending the floor forwards beyond the bow 20 and in giving its leading edge 30 a shape having, at least near the central part 10, an inverted arrow.
  • the leading edge has, on most of its development from the central part an inverted arrow, while the external part 34 has a notable arrow, from a point which is located slightly inside the bow in the transverse direction.
  • the vortices created by the reverse arrow portion cause the light liquid layer to converge towards the central part 10, which is favorable. But the vortices due to the other party, as well as the vertical vorticity due to the tip, tend to cause divergence.
  • FIGS. 10A to 10G successive profiles of the floor 33.
  • the profile of the central part 10 of the shell at the location of the cut is indicated in solid lines, while the master couple is indicated in dashed lines.
  • FIG. 10A shows a section along plane A of Figure 1, immediately behind the tip of the floor. We see the vertical wing 35 and a fragment, of small width, of the floor.
  • Figures 10B, 10C and 10D are sections in planes staggered from that of Figure 10A to the bow 30 of the side part (Figure 10D).
  • FIG. 10E shows the evolution of the cross section immediately behind the bow, and in particular the thickening of the lateral hull 11.
  • FIGS. 10F and 10G are sections approximately at the level of the planes F and G of FIG. 1 In FIG. 10 G, it can be seen that the lateral shell 11 is progressively increasing upwards. This form corresponds to an embodiment in which the partition between the two sub-channels constitutes a weir,
  • CÎ.'PI a small fraction of the captured flow discharging from the conduit into a supply sub-channel of the separator.
  • FIG. 10G the general appearance taken by the partition 36 behind the section along the plane G. Progressive withdrawal:
  • FIG. 11 schematically shows the arrangement of the transverse partition which separates each conduit progressively into two sub-channels.
  • Figure 11 shows a constant section supply duct, which will be assimilated to the channel delimited by surfaces 13 and 14 and the floor 23 in Figure 1.
  • the partition 37 is placed obliquely to the direction of the duct , so as to progressively reduce the passage section offered to a subchannel 38 which goes towards the separator.
  • This partition ends upwards above the free surface and below it at a distance from the bottom of the channel.
  • a fraction of the flow is thus gradually drawn off from the bottom in a volume constituting a damping bowl 39, which is extended by a discharge subchannel 40 whose external wall 41 is constituted by the inner wall of the lateral part of the hull.
  • This external wall of the exhaust sub-channel is shown rectilinear in FIG. 11. In practice, it will obviously be shaped to correspond to the shape of the shell.
  • the flow towards the bowl 39 implies a change of orientation of the fluid threads. To avoid turbulence, this change. orientation is helped by vanes 42 which, at the same time, support the partition 37. In addition, the partition is thick so that the orientation change ⁇ ment is gradual.
  • the reduction in cross section which results from the presence of the partition is offset by the fact that the bowl represents an increase in the passage section. In the approximately triangular bowl 39 and the subchannel 40 which follows it downstream, the water level may vary. However, this variation must remain in an area that is lowered by the risk of air entering the rejection pump and, above all, by the presence of a load lower than the upstream load.
  • the flow rate which it takes in the bowl 39 decreases when the level drops, even in the case of a constant section at ejection.
  • this variation in flow rate is not in phase with that of the flow rate received by the bowl 39, it contributes to reducing the buffer volume offered by the bowl which is necessary.
  • the ejection orifice is provided with section adjustment means, for example using a flap controlled by a jack. In this case, it is possible to asser ⁇ the cylinder to modulate the ejection section as a function of the height of water in the bowl, which makes it possible to obtain larger variations in flow and whose phase is better. adapted, therefore to reduce the minimum buffer volume required of the bowl.
  • Centrifugal separator is provided with section adjustment means, for example using a flap controlled by a jack.
  • the two-phase current supplied by the supply subchannel in which the thickness of the layer of light liquid is approximately ten times greater than at the beginning from the duct, is admitted tangentially into a centrifugal separator with an open vein.
  • the flow in an open supply stream must give rise to two flows in a closed stream, one consisting of a discharge flow escaping from the bottom of the separator to an extraction pump. , the other by a sample flow sucked by pumping means towards storage containers.
  • the light liquid is often an extremely viscous hydrocarbon, it is necessary to warm it.
  • open vein It will therefore take place in the flow in closed sampling vein, which begins at the entrance of a vertical tube plunging into the mass of liquid, to a depth in which there is permanently pollutant .
  • the interface between the layer of light liquid and the water remains substantially parallel to the free surface if the tangential speed remains constant over the entire height of the body of water.
  • the separator shown in Figure 12 which can be considered as a section along a plane substantially parallel to the median plane of the machine, has a thick horizontal plate 50 of partition pierced with a hole
  • the plate 50 limits a supply chamber into which opens the supply sub-channel 38 which maintains the vortex flow and whose wall has an approximately cylindrical shape whose
  • the 30 director is a spiral.
  • the discharge chamber placed below the plate 50 is delimited downwards by a floor 51. It opens by a tangential exhaust channel 52.
  • the flow in this chamber and the diverging exhaust channel has a wide symmetry
  • the tube 47 must suck all the flow of light polluting liquid which arrives at the separator, which implies that it sucks at the same time a flow of water sufficient to entrain the pollutant even if the viscosity of the latter is so high that it occurs in lumps.
  • the tube 47 shown in FIG. 12 is double-walled and has an internal conduit 54 for supplying steam which escapes to the top by a series of holes 55 formed in an internal rim of the tube, at the bottom of the latter. This steam injection heats the pollutant at the same time and makes handling easier.
  • This core constitutes a buffer volume It is normally maintained between determined limits - by controlling the pump (not shown) for suctioning the light liquid by a relay actuated by means for determining the level of the interface, indicated schematically at 56.
  • These means can be constituted in particular by a cell electric or by a float whose average density is between that of water and that of light liquid, connected to a control relay of the pump motor.
  • the light liquid finally obtained will be stored.
  • This 2o storage can be carried out in tanks placed on board the pollution control device, whence the pollutant will be transferred to tanks placed on the ground. It is however possible, especially in the case of small machines, to store the pollutant in containers which are closed and ballasted. These containers are then submerged as they are filled in locations marked with buoys. The containers are then recovered by non-specialized vessels.
  • the buffer volume represented by the core will generally be sufficient to authorize a temporary stop of the suction pump for the time necessary for a change of container for storing light polluting liquid.
  • a first remedy consists in reducing the amplitude of the swell coming from the rear in the appearance of a leak, during its journey along the hull before it reaches the grip orifices.
  • the machine comprises a rear wing 57.
  • this wing does not project beyond the machine towards the rear.
  • the thickness of the flange 57 increases from the rear forwards and the wing is positioned at a slightly lower ⁇ deur profon ⁇ the draft of the craft.
  • the wing 57 dampens the absolute movement of the swell in a dark area which covers all the flow in free vein before entering the orifices for collecting conduits.
  • the wing reduces the amplitude of the pitch. On short vehicles, it dampens the relative movement of the ship relative to the sea, especially if it has a positive lift. The wing finally plays the role of anti-roll keel.
  • a second remedy takes into account that the most dangerous disturbances from the point of view of the risk of surge are those which go up the general flow. Such disturbances can appear in the conduits as a result of the reflection of the waves which descend the conduit, then the exhaust sub-channel towards the part in charge of the latter.
  • the flow suction pump which runs through the subchannel 40 is controlled so that this subchannel remains under load and there is no air admission into the pump and also so as to maintain immediately upstream a speed and a height of water such that the flow is of the fluvial type, that is to say with a Froude number less than 1.
  • the bowl 39 is given a width 1 ⁇ greater than the width 1 of the duct and a submerged weir 59 is placed there which reduces the depth and, correspondingly, causes a local increase in speed.
  • the widening lp / li and ** •• - ** height of the weir 59 are chosen so that the variations undergone by the flow from upstream to downstream are as follows.
  • the flow speed and the depth h. are such that the flow is fluvial (Froude number less than 1). In the upstream part of the bowl, this fluvial character is further increased due to the decrease in speed caused by the increase in width.
  • the depth h 2 of the flow at the right of the weir becomes such that the Froude number becomes equal, then greater than 1. It remains greater than 1, then the flow becomes fluvial again with the formation of a projection 60 which is likely to move longitudinally in a limited area.
  • the disturbances propagating from upstream to downstream cross the jump and can be reflected on the entry of the subchannel under load 40. But the reflected disturbances cannot cross the jump and come to disturb the flow in the conduit.
  • FIG. 16 shows by way of example a wing 67 of annular shape capable of being used at the front of the floor 33.
  • This wing is connected to the floor 33 by a profile which can be similar to that shown in FIG. 10G then l 'wing turns forward to connect to the central part 10 of the hull by a profile close to the horizontal, as indicated by a cut folded in dashes.
  • the wing At its root on the floor 33, the wing has a shorter length than in the case of FIG. 10 and a higher incidence, so that the wing 61 does not descend below the draft of the shell. This arrangement brings a double advantage.
  • the annular wing embedded at its two ends, has greater rigidity and resistance than a cantilever wing; we remove the free vortices that escape from a wing of the kind shown in Figures 1 and 10, vortices which can be in some cases annoying although they are released at significant depth.
  • the floor 33 of the embodiment shown in Figures 1, 2 and 9 is full. Despite the slowing down of the flow upstream of the capture, it limits the speed at which the machine can move, since it is necessary to avoid a spill. In the variant embodiment shown in FIGS. 17 and 1, this limitation is largely removed by effecting the capture (that is to say the separation between the polluted flow sampled and the water returned to the ambient water table). ) in two steps.
  • the vein of liquid sampled by the lateral shell 11, placed obliquely, is first closed laterally, and then the vein is closed by the expensive plane 33 downstream from the bow of the lateral shell.
  • the floor 33 is limited to inclined blades 65 and 66, connecting the two shells and of progressively decreasing depth (Figure 17).
  • the purpose of these blades is to eject downward and outward, under the side shell 11, the lower part of the flow water from the vein, part which does not contain pollutant.
  • the front part of the side hull will in this case have a depth of between half and a third of the draft.
  • the non-rejected part of the vein is directed to the pumps.
  • the curve in solid line in FIG. 19 shows the variation of the supply flow supplied to a subchannel opening into pumping means as a function of time, in the presence of a swell of period T.
  • This supply flow is pours into a damping bowl 39 (FIG. 20) communicating with the pumping means 53 via a charge pipe 40.
  • the pumping means 53 are provided for sucking in an approximately constant flow rate (dashed line in FIG. 19) which corresponds at the average feed rate.
  • the level of the mass of water contained in the bowl therefore varies as a function of time, the difference between the average volume and the minimum volume of water in the bowl being represented by the hatched area in FIG. 19.
  • this difference in volume corresponds to a difference between the average level ⁇ ii of the water in the bowl (downstream of the projection 60 due in particular to the presence of the flooded weir 59) and the low level. This difference is all the greater the smaller the surface area of the bowl 39.
  • the means for supplying the subchannel with make-up water consist of an opening 62 formed in the floor to achieve permanent communication between the subchannel and the sea.
  • the opening shown is placed in the front part of the loaded tunnel 40.
  • the ceiling of this front part has a threshold 61 projecting downward, making it possible to further decrease the risk of air suction.
  • the flow of the water streams at the bottom of the subchannel takes place along the floor upstream and downstream of the opening 62 (arrow f n ).
  • the additional flow rate towards the pumping means 53 can be given a value time-averaged which is positive, zero or even negative, when the machine moves at its normal operating speed, the make-up flow being always positive in the case of a zero speed. If, for example, provision is made for opening 62 so that it provides an average make-up flow of 10 to 20% of the total flow sucked by the pumping means 53, we can obtain a maximum flow of l 'order of 50% of the flow sucked by the pump, which clearly shows a very significant impact on maintaining the level in the damping bowl 39 at a sufficient height.
  • the inlet opening of a supply flow can be fitted with oscillating flaps preventing the ejection of a frac-

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Abstract

Un engin de dépollution d'une nappe d'eau comprend une coque ayant une partie centrale (10) en saillie par rapport à deux parties latérales (11) qui délimitent avec la partie centrale des conduits d'amenée à des séparateurs. La partie centrale présente une aile (17) de création de tourbillons dont l'orientation diminue la divergence de l'écoulement en surface. Chaque conduit (16) a un plancher à profil déporteur à bord d'attaque en saillie pour ralentir l'écoulement et épaissir la couche polluante. Une cloison verticale sépare chaque conduit (16) en deux sous-canaux dont un communique en aval avec le séparateur et dont l'autre s'ouvre à l'arrière de l'engin dans une pompe (53).

Description

Engin de prélèvement sélectif d'une couche de liquide léger à la surface d'une nappe d'eau
La présente invention concerne un engin de prélève¬ ment sélectif d'une couche de liquide léger, tel qu'un hydrocarbure, flottant à la surface d'une nappe d'eau suscep tible d'être soumise à la houle, utilisable notamment pour dépolluer des zones recouvertes d'une couche d'hydrocarbure à la suite de déversements accidentels.
Il convient tout d'abord de rappeler quels sont les problèmes auxquels se heurte la réalisation d'un engin dépollueur devant être utilisé à la mer.
L'hydrocarbure polluant se présente sous forme d'une couche mince (de l'ordre du millimètre) constituée par une phase d'hydrocarbure qui peut être très visqueuse par suite de 1 'évaporation des composants légers ou par une émulsion polyphasique d'hydrocarbure avec l'eau de mer et/ou l'air, à la suite du brassage provoqué par les lames.
L'engin doit être conçu pour dépolluer à chaque passage sur une largeur aussi élevée que possible. L'eau inévitablement prélevée en même temps que le polluant doit représenter une fraction aussi faible que possible de la partie extraite et stockée. L'obtention de ce dernier résul¬ tat est contrariée par le rapport très faible entre l'épais¬ seur de la couche de polluant et celle de la lame d'eau qu'il est nécessaire de capter du fait des variations de niveau dues en particulier à la houle.
La demande de brevet FR-A-2467769 décrit un engin d'un type qui comprend une coque munie de moyens de propulsion permettant de le maintenir en allure de fuite, la coque ayant une partie centrale faisant saillie vers l'avant par rapport à deux parties latérales qui délimitent avec la partie centrale des conduits d'amenée à des séparateurs et la partie centrale présentant des moyens déflecteurs, tels que des ailes, pour créer des tourbillons dont l'orientation tend à diminuer la divergence de l'écoulement en surface autour de la coque.
Les moyens déflecteurs permettent d'atteindre un double résultat. D'une part, l'engin balaie ainsi la mer entre deux lignes de courant qui, en amont, ' ont un écarte ent beaucoup plus grand que celui qu'elles auraient en l'absence de ces moyens ; corrélativement, il y a épaississement de la couche de liquide léger à l'entrée des conduits d'amenée. Du fait que le prélèvement s'effec- tue en allure de fuite, le sillage du navire provoque un amortissement de la houle.
On peut ainsi réaliser, entre la mer ouverte en amont de l'engin et les prises d'eau d'entrée des conduits 16, un épaississement par un facteur de l'ordre de 2,5. Dans la pratique, on peut réaliser, grâce à la convergence des ligne de courant, un taux d'épaississe ent de la couche d'hydro¬ carbure de l'ordre de 2,5.
Un tel épaississement reste toutefois très insuffi¬ sant pour permettre d'alimenter un séparateur, notamment centrifuge, dans des conditions telles que le rapport entre polluant et eau dans le débit prélevé soit acceptable. L'invention vise notamment à fournir un engin de prélèvement dans lequel on réalise un épaississement progres sif de la couche de liquide léger tout au long d'un écoule- ment en veine ouverte jusqu'à séparation par un processus tourbillonnaire à surface libre, à axe vertical et prélève¬ ment central .
Cet épaississement- doit s'effectuer de façon très progressive depuis l'étrave de la partie centrale jusqu'au prélèvement par tube plongeur axial. En effet, l'équilibre d'une couche de liquide léger d'épaisseur variable fait intervenir un entraînement de ce liquide par l'eau résultant d'une discontinuité de vitesse à l'interface avec une con¬ trainte tangentielle proportionnelle au gradient du carré de l'épaisseur ; cet équilibre devient instable au-delà d'une valeur limite de cette contrainte, donc aussi de ce gradient ou de la discontinuité de vitesse.
Dans ce but, l'invention propose un engin du type ci- dessus défini, caractérisé en ce que chaque conduit ou chenal comprend un plancher à profil déporteur dont le bord d'attaque fait saillie en avant des conduits, destiné à ralentir l'écoulement en amont du bord d'attaque et à provoquer un épaississement progressif de la couche, et en ce qu'il est séparé par une cloison approximativement verticale sur une partie de sa hauteur se terminant a dis- • tance d'une limite horizontale de la lame d'eau en deux sous-canaux dont l'un communique-en amont avec l'entrée du conduit et, en aval, avec le séparateur, et dont l'autre, séparé du premier par la cloison, débouche en aval dans des moyens de pompage et de rejet à l'arrière de l'engin.
La cloison est avantageusement renflée à sa partie inférieure, située à distance du plancher, pour limiter la courbure des trajectoires du liquide qui passe d'un sous-canal à l'autre ; la section totale des deux sous- canaux est sensiblement constante dans le sens de l'écou¬ lement, la section du premier sous-canal diminuant tandis que l'autre augmente.
On réalise ainsi un épaississement par trois phéno- mènes successifs en veine à surface libre :
- un tourbillon libre d'axe horizontal et approxi¬ mativement parallèle au plan de symétrie du navire, engendré par les moyens déflecteurs, typiquement par une voilure portante immergée raccordée au fond de la partie centrale de la coque et dépassant l'étrave vers l'avant. Ce tour¬ billon superpose, au champ de vitesse divergent engendré par la partie centrale, des composantes de vitesse convergeant vers le plan de symétrie au niveau de la surface libre et provoque un épaississement progressif de la nappe par convergence à vitesse constante (taux d'épais- sissement de l'ordre de 2,5);
- un tourbi1 Ion obi ique et approximativement horizontal dû au plancher profilé déporteur formant le fond de chaque conduit et dont le bord d'attaque présente une flèche négative, au moins à proximité de la partie centrale de la coque. Le tourbillon induit en surface des composantes de vitesse qui ralentissent progressivement l'écoulement en amont du bord d'attaque du plancher au prix d'une divergence très modérée. Il en résulte un ra- lentissement de la nappe, à largeur presque constante, et un nouvel épaississement progressif (taux de l'ordre de 2);
- un soutirage de la majeure fraction du débit capté dans le conduit au-dessus du bord d'attaque du plancher et qui reste complètement séparé de l'écoulement à l'exté-. rieur de l'engin jusqu'à son éjection finale après pa^s é dans une pompe, cette configuration permettant un meilleur contrôle du soutirage progressif de la quasi- totalité du débit. Pour cela, pratiquement depuis l'entrée du conduit et jusqu'à l'injection dans le tourbillon du 5. séparateur, le conduit est séparé en deux sous-canaux par la cloison sensiblement verticale, oblique par rapport au plan médian de l'engin, qui coupe la ligne de flottaison et descend jusqu'à une faible distance du plancher. La somme des aires des sections droites des deux sous-canaux 0 restant sensiblement constante, celle du sous-canal de décharge (ou de soutirage) croît de 0 à environ 9/10 de l'aire totale, tandis que celle du sous-canal d'alimentation qui reçoit initialement tout le débit capté, diminue d'au¬ tant. De ce fait, la composante de vitesse parallèle au 5 plan de symétrie reste à peu près constante dans le sous- canal d'alimentation, à la fois pour l'eau et pour la nappe polluante qui s'épaissit progressivement (taux d'épaississement de l'ordre de 10). Cette disposition peut d'ailleurs être inversée, le sous-canal d'alimentation 0 étant alimenté par dessus la cloison, qui forme déversoir. Le plancher du chenal est avantageusement constitué par une cloison épaisse dont les sections par des plans verticaux parallèles au plan de symétrie de la coque sont des profils déporteurs, ayant donc une face inférieure 5 très convexe. Habituellement, la face inférieure descend approximativement jusqu'à une profondeur égale au tirant d'eau pour remonter ensuite vers l'arrière. La face supé¬ rieure présentera alors un seuil horizontal parallèle au bord d'attaque et immergé à une profondeur égale appro- 0 ximative ent au tiers du tirant d'eau et, en arrière de ce seuil, descendra jusqu'à la profondeur limite compatible avec l'épaisseur nécessaire à la tenue mécanique du planche L'accroissement initial de l'a profondeur du conduit simpli- fie le problème posé par la perte de section droite utile 5 due à la cloison de séparation entre les deux sous-canaux puisqu'il compense cette perte par une augmentation de la section droite totale disponible.
A l'arrière, la cloison verticale rejoint la paroi latérale intérieure du sous-canal d'alimentation. / TlR Le bord d'attaque de la cloison sépare définitive¬ ment le sous-canal d' alimentation, qui joue dès lors le rôle de gouttière d'injection pour le tourbillon en veine ouverte du séparateur, du sous-canal de décharge qui devient un simple canal d'-échappement dont tout le débit est aspiré par une pompe qui peut constituer moyen de propulsion de l 'engin .
Il est nécessaire d'éviter la formation dans l'écou¬ lement biphasique de déferlements ou de ressauts. Ce problème est rendu particulièrement aigu du fait que l'engin doit être prévu pour travailler en eaux agitées, par exem¬ ple soumises à la houle ou à une mer de vent. On connaît déjà les conditions à remplir, en cas d'écoulement perma¬ nent, pour éviter les passages d'écoulement torrentiel à un écoulement fluvial qui donnent naissance à un ressaut. Des considérations théoriques permettent de dégager, en cas de régime périodique et même lorsque l'écoulement présente des parties en charge où les sollicitations pério¬ diques se traduisent par des ondes de compression pério- diques, les conditions à remplir pour éviter les déferle¬ ments dans l'écoulement biphasique et les brassages qu'ils provoquent .
L'expérience sur modèle a confirmé ces considérations qui n'étaient nullement évidentes pour l'homme du métier, habitué à considérer uniquement des écoulements permanents. Elles conduisent à prévoir un amortissement de la houle provenant de l'arrière en allure de fuite à l'aide d'une aile immergée arrière qui d'ailleurs apporte, de façon inattendue, des propriétés favorables supplémentaires. De plus, il est souhaitable d1 interposer, dans le sous-canal de décharge en aval de la cloison dans le sens d'écoulement général, un déversoir immergé qui provoque localement une transition écoulement torrentiel, écoulement fluvial et la formation d'un ressaut et de déferlements à un emplacement bien localisé où ce phénomène ne présente pas d'inconvé¬ nients et évite la formation de nouveaux déferlements plus en amont .
Dans un mode particulier de réalisation, le sous- canal de l'engin qui débouche dans les moyens de pompage
O présente successivement une fraction constituant cuvette d'amortissement, puis une partie en chargé débouchant dans les moyens de pompage. Le sous-canal est à paroi pleine, de sorte que les pompes ne peuvent aspirer que de l'eau qui a pénétré dans le sous-canal en passant au-dessus ou au-dessous de la cloison.
Etant donné que le débit aspiré par les moyens de pompage est sensiblement constant, ou du moins varie peu, alors que le débit prélevé par chaque conduit d'amenée varie périodiquement, par exemple du fait de la houle, le volume d'eau contenu dans la cuvette limitée en amont par la cloison varie en fonction du temps. Il faut éviter que le niveau bas de la surface libre dans la cuvette descende au-dessous d'une valeur limite pour laquelle les moyens de pompage aspireraien de l'air, ce qui risquerait de les détériorer.' Ce résultat peut être atteint en donnant des dimensions en plan importan¬ tes à la cuvette. Mais, lorsque l'engin est prévu pour opérer dans des houles présentant un creux important, on arrive à des dimensions en plan inacceptables de la cuvette. Pour autoriser le fonctionnement dans des conditions telles que le débit prélevé varie notablement, sans pour autant exiger une cuvette d'amortissement (je grandes dimensions, le sous-canal qui débouche dans les moyens de pompage est avantageusement muni de moyens d'alimentation en eau à partir de la nappe d'eau prévus pour fournir un débit d'appoint aux moyens de pompage, au moins lorsque le niveau dans ce canal descend jusqu'à un niveau déterminé ou le dépasse.
Ces moyens pour fournir un débit d'appoint peuvent se limiter à une ouverture de communication avec la nappe d'eau ménagée dans la paroi du sous-canal, avantageusement dans le plancher. Cette ouverture sera généralement placée à l'entrée de la partie en charge du sous-canal qui débouche dans les moyens de pompage ou immédiatement en amont. L'entrée de la partie en charge pourra constituer un seuil en saillie vers le bas par rapport à la portion en aval, de façon à mieux éviter l'aspiration d'air vers les moyens de pompage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation
donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma de principe montrant la forme en plan de l'engin à la flottaison et une forme possible de l'aile avant de création de tourbillons et de l'aile arrière d'amortissement de la houle ;
- la figure 2 est une vue en perspective schématique montrant la coque et les ailes de l'engin de la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 montrent, respectivement en plan et en élévation, la disposition d'une aile avant de création de. tourbillons déflecteurs ;
- les figures 5 et 6 montrent, respectivement en plan et en élévation (ligne VI-VI de la figure 5), une forme possible d'aile et d'aileron de relèvement de tour- bi1Ion ;
- les figures 7 et 8 montrent, respectivement en plan et suivant la direction VIII de la figure 7, une forme d'aile constituant une variante de celle des figures 5 et 6 ; - la figure 9 est un schéma montrant la forme générale du plancher d'un conduit de prise, en coupe suivant une surface verticale
- les figures 10A à 106 sont des vues en coupe transversale montrant une évolution possible de la forme du plancher et de l'aile verticale située à l'orifice de prise ; - la figure 11 est un schéma en perspective montrant le fractionnement du conduit en deux sous-canaux par une cloison oblique ;
- la figure 12 est un schéma de principe, en coupe suivant un plan vertical, montrant l'allure d'un séparateur centrifuge à surface libre alimenté par l'un des sous- canaux de la figure 11 ;
- la figure 13 est une coupe, similaire aux figures 10, montrant l'allure du profil de l'aile arrière ;
- les figures 14 et 15 sont des schémas de principe, respectivement en plan et en élévation, montrant une cons- titution du deuxième sous-canal de nature à éviter des déferlements dans le conduit ;
- la figure 16 montre une constitution possible d'une aile annulaire permettant d'augmenter encore 1 'épaississement de la couche de liquide léger en amont des conduits ;
Q PI - les figures 17 et 18 montrent schématiquement une autre variante de réalisation, respectivement en vue de dessus et en coupe suivant la ligne XVII-XVII ;
- la figure 19 est une courbe montrant la variation des débits d'alimentation d'un sous-canal et d'aspiration par la pompe en fonction du temps ;
- la figure 20 est un schéma de principe, en coupe verticale, montrant les variations du niveau d'eau dans la chambre d'amortissement, dans le cas d'une disposition du genre montré en figure 11 ; - la figure 21, similaire à la figure 20, correspond à un mode drexécution de l'invention.
Avant de décrire l'engin, il faut rappeler qu'il constitue un navire qui se déplace à la surface de la mer et que le mouvement initial du liquide léger par rapport à ce navire est celui d'une couche mince, de largeur illimitée à l'échelle du navire animé d'un mouvement de trans¬ lation horizontale uniforme, auquel se superpose le mouvement dû à la houle.
Si, comme c'est le cas général, l'opération finale d'extraction du liquide léger s'effectue, dans un séparateur utilisant les forces centrifuges, à l'aide d'un tube central, il est souhaitable d'amener les lignes de courant à s'infléchir progressivement pour passer d'une trans¬ lation uniforme en amont de l'engin à un mouvement convergent vers l'axe vertical des séparateurs avec une composante radiale de vitesse. La so¬ lution la plus rationnelle pour cela consistée donner aux lignes de cou- rant du liquide léger une forme qui, initialement rectiligne, se trans¬ forme en une spirale logarithmique au voisinage du tube de prélèvement. Pour cela, la partie centrale 10 et les parties latérales 11 de la coque 12 présentent des surfaces qui délimitent l'écoulement suivant des spirales internes 13 et des spirales externes 14 et se rejoignent en un point de rebroussement 15 (Fig.1). Cas surfaces latérales doivent se prolonger à peu près verticalement, au moins jusqu'à une profondeur qui est choisie en fonction du creux de houle maximum pour lequel l'engin est conçu. Dans la pratique, cette verticalité est assurée jusqu'à une pro¬ fondeur qui est de l'ordre de la moitié du tirant d'eau D de l'engin. Les surfaces 13 sont ainsi constituées par la muraille de la partie centrale 10 de la coque, àpartir de l'étrave qui doit être conçue pour limiter au maximum la vague d'étrave qui crée des turbulences. Chaque surface externe 14 est matérialisée par la paroi intérieure d'une partie latérale 11, depuis l'étrave 30 de cette dernière, qui sera gêné- Paiement située à mi-longueur de la coque. La figure 1 montre que l'on arrive ainsi à une forme qui, entre l'étrave de la partie centrale 10 et un point approximativement à mi -longueur du navire, correspond à la moitié avant d'une coque de navire classique. Entre chaque étrave d'une partie latérale 11 et la poupe, la ligne de flottaison corres¬ pond sensiblement à la moitié arrière d'un navire monocoque ayant un maître couple plus grand que celui de la coque centrale 10.
Les paramètres de forme globaux de l'engin (et notamment la longueur totale L, la largeur hors tout 21_ et la largeur de prise 2 j ) doivent être proportionnés les uns aux autres pour assurer un écoulement satisfaisant. Dans la pratique, le rapport L/21_ restera compris entre 3,6 et 4 environ. Le rapport 1/lc sera compris entre 1,5 et 2,5, une valeur de l'ordre de 2 étant généralement satisfaisante.
Un troisième paramètre important est le rapport D/L" du tirant d'eau à la longueur. Mais le choix de ce rapport doit tenir compte d'impératifs différents suivant qu'il s'agit d'un engin destiné à travailler au large ou à proximité immédiate des côtes.
Dans le premier cas, la longueur L sera généralement supérieure à 75 m et D/L sera alors déterminé par la valeur maximale que l'on peut donner à D pour un travail de dépollution, généralement inférieure à 12 m : on arrive à un valeur inférieure à 0,1, c'est-à-dire à un engin très plat.
Au contraire, les engins destinés à opérer près des côtes, les plus fréquents, auront une longueur infé¬ rieure à 75 m et, dans ce cas, on peut adopter une valeur de D/L entre 0, 14 et 0, 16.
Quant au rapport D/lc, également important, il sera lui aussi très différent suivant qu'il s'agit d'un engin de haute mer, où on aura D/lc ~ 0,9, ou côtier, où l'on aura D/lc ≈ 2,25.
Dans tous les cas, on voit que, lorsque l'engin avance dans la direction de la flèche V, la nappe d'eau portant une couche de polluant peut contourner la partie centrale 10 et s'engouffrer dans les conduits ou chenaux 16 délimités par les surfaces 13 et 14, dont l'orifice de prise a généralement une largeur le de l'ordre du quart de la largeur hors tout 2i_ de l'engin. On constate immédiatement que le débit qui pénètre dans chaque conduit 16 est énorme. En moyenne, il s'agit d'une lame d'eau et de polluant dont l'épaisseur sera approximativement égale à la moitié du tirant d'eau D, dont la vitesse est de l'ordre de celle du navire et dont la largeur est d'envi ron la moitié de la largeur j_ au maître couple.
Le débit prélevé par le tube plongeur du séparateur doit être de deux ordres de grandeur au moins inférieur à ce débit d'entrée, ce qui conduit à rechercher un épaissis¬ sement de la couche de liquide léger avant admission aux séparateurs. Cet épaississement va s'effectuer en plusieur étapes, sous l'action de composants placés en série et qui seront successivement décrits.
Moyens déflecteurs avant : Comme dans le cas de l'engin décrit dans le document FR-A- 2467769, des moyens déflecteurs sont prévus pour faire converger les filets de liquide en surface, sans pour autant provoquer des phénomènes-de déferlement ou de ressaut.
Dans le cas illustré en figures 1 et 2, ces moyens comprennent une aile avant en flèche 17, munie d'ailerons 18 dirigés vers le haut, dont les pieds convergent vers l'avant et dont le rôle sera exposé plus loin. Il s'agit là d'une disposition qui ne se différencie de celle du document FR-A- 2467769 que par la présence des ailerons, L'aile 17, à portance positive, crée des tourbillons provo- quant une convergence en surface.
Cette disposition n'est pas la seule possible ; avant de décrire des variantes de réalisation, il est préférable d'analyser le rôle des moyens déflecteurs et d'en déduire les caractéristiques à rechercher et la façon dont les obtenir.
Lorsque les moyens déflecteurs sont constitués par une aile, cette dernière doit engendrer des tourbillons marginaux dont l'efficacité (mesurée par le déplacement transversal relatif des filets d'eau qu'elle provoque en surface)est aussi importante que possible sans provoquer des déferlements en surface, pour une vitesse donnée de l'engin.
Le déplacement transversal est proportionnel à la circulation du tourbillon créé par les ailes. Il augmente avec la distance, projetée sur l'axe longitudinal, qui sépare l'étrave 30 de la partie latérale de l'origine du tourbillon, ainsi qu'avec la distance qui sépare le tourbillon du plan de symétrie.
5 L'influence de la profondeur de l'aile est moins marquée : si l'efficacité d'un tourbillon passe par un maximum lorsque la profondeur de l'aile, égale au tirant d'eau, est égale à 1a/2 (figures 3 et 4), ce maximum est assez plat.
10 Pour augmenter la distance entre l'étrave de la coque latérale et l'origine du tourbillon, il faut déplacer l'aile 31 vers l'avant, ce qui conduit à placer le bord d'attaque de l'aile 31 en avant du point où l'étrave 20 coupe la ligne d'eau, donc à augmenter la longueur hors tou
15 de l'engin. On peut remarquer que cette augmentation de longueur n'intervient toutefois que par rapport à la ligne d'eau 32 du bateau, l'étrave pouvant faire saillie en forme d'éperon au-dessous de la ligne d'eau, comme on le verra plus loin.
20 Si on veut augmenter la distance qui sépare l'origine du tourbillon du plan de symétrie, on est pratiquement limité à adopter 1a = 1, aucun marin n'acceptant volontiers que les oeuvres vives du bateau aient un encombrement latéral supérieur à celles des parties visibles du pont.
25 L'efficacité du tourbillon marginal, qui regroupe toute la circulation d'une nappe de tourbillons libres déversée par l'aile, est égale à la circulation autour du profil à son emplanture, elle-même proportionnelle à la portance du profil. Il est donc souhaitable d'augmenter cette por-
30 tance, mais cet accroissement va se heurter à d'autres impératifs qui sont également à respecter.
Pour augmenter la portance à partir d'un profil initial indiqué en trait plein sur la figure 4, qui conduit à une profondeur hQ du point le plus, haut, on peut augmente
35 l'incidence de l'aile ou sa cambrure. Dans les deux cas, le point le plus haut est situé à une profondeur plus faible, h1 ou h~. Le coefficient de survitesse augmentant également avec la circulation, le nombre de Froude F = v / <fg\. (v étant la vitesse maximale en surface) augmente donc pour une vitesse V donnée de l'engin quand on augmente la portance. Or, pour éviter le déferlement en surface, il faut respecter la condition F -J 1, ce qui limite la portance acceptable. 5 De plus, les considérations ci-dessus ne tiennent pas compté de la présence de la partie centrale 10 de la coque qui provoque des perturbations de vitesse en surface (sous-vitesse au voisinage de l'étrave 20, survitesse en aval). C'est la résultante des perturbations
10 dues à l'aile et des perturbations dues à la coque ,qui .intervient pour définir la valeur de ^ â ne pas dépasser. On a donc intérêt à faire coïncider, dans la mesure du possible, le point où l'étrave 20 coupe la surface libre de la nappe d'eau avec celui où l'extrados du profil
15 d'aile .passe par le point le plus haut (figure 4).
Comme par ailleurs, il faut assurer une liaison mécanique robuste entre la partie centrale 10 de la coque et l'aile 31, il est souhaitable de prolonger l'étrave 20 vers 1 '-avant sous la surface libre, pour constituer
20 un éperon muni d'un bulbe de raccordement avec l'aile. Les figures 5 et 6, où la forme de la partie centrale 10 au niveau de la surface libre est montrée en traits épais, tandis que la forme à l'emplacement du raccordement avec l'aile est montrée en traits fins et une ligne de
25 niveau intermédiaire en tirets, montre une disposition qui s'est révélée particulièrement satisfaisante.
Toutefois, une aile isolée donne aux tourbillons une profondeur d'immersion du tourbillon marginal qui est supérieure à la valeur optimale, mentionnée plus haut, même dans
30 le cas d'un engin relativement plat, pour lequel D/1 est de l'ordre de 0,9, et a fortiori dans le cas d'engins à fort tirant d'eau (D/lc de l'ordre de 2,25).
Il est donc souhaitable de relever le niveau du tourbi lion. 35 Dans le cas d'un engin relativement plat, ce résul¬ tat peut être atteint en munissant chaque aile 31 d'un aileron 32 pratiquement vertical. Pour tenir compte de la déflexion des filets d'eau provoqués en surface par la partie centrale 10 de la coque, il est souhaitable de donner au plan vertical bisecteur au bord de fuite de l'aileron 32 une inclinaison importante par rapport au plan médian, typiquement 30 à 35°. Ce résultat peut être obtenu soit avec un profil à faible cambrure et forte incidence, comme indiqué dans le cas de la figure 5, soit avec une incidence moyenne et une forte cambrure.
Une autre solution, montrée en figures 7 et 8, consiste à donner à la partie terminale de l'aile 31 une forme "enroulée" : cette dernière solution sera générale¬ ment préférable dans le cas d'engins à fort tirant d'eau. Là encore, le plan bisecteur de la partie terminale de l'aile, présentant un dièdre important, doit être fortement incliné sur le plan médian du navire (figures 7 et 8).
Ralentissement et épaississement de la couche à l'orifice de prise :
La réalisation de moyens de prise, à l'entrée des conduits ou chenaux, pose différents problèmes dont les plus importants sont d'éviter la formation de déferlement ou de ressaut et le rejet, à l'extérieur des étraves laté¬ rales 30, d'une fraction du liquide léger.
Le risque de déferlement apparaît si l'on étudie la situation immédiatement en amont du seuil de l'orifice de prise, de largeur 1 en présence d'oscilla- tions de niveau dues par exemple à la houle. Si on désigne par D la profondeur du seuil du conduit et par v la vitesse au-dessus de ce seuil, l'épaisseur d'eau au-dessus du seuil sera, au' passage du creux d'une houle d'amplitude
A :
Le nombre de Froude correspondant sera F = v/ -/"gϋ Ce nombre de Froude ne doit pas dépasser 1, ce qui signifFiie que la profondeur d'immersion D„ du seuil en eau calme doit être
Dc * A + v2/g.
Par ailleurs, il faut donner à D_ la plus petite valeur possible, pour minimiser le débit moyen d'eau captée, qui est égal à nc DC V.
On voit l'intérêt d'obtenir une valeur de _y_ nettement inférieure à la vitesse V du navire, par exemple de l'ordre
OMPI - 14 -- de 0,5 à 0,6 V, donc de ralentir l'écoulement du liquide immédiatement en amont du seuil. Mais il faut en même temps éviter une divergence locale appréciable de la couche polluante, qui diminuerait la largeur de captation et l'épai 5 seur de cette couche.
Dans la pratique, comme indiqué plus haut, on cherch-e à donner au seuil une profondeur D de l'ordre du tiers du tirant d'eau D du navire et ce choix n'est possible qu'avec un ralentissement important. 10 Ce ralentissement peut être obtenu en délimitant inférieurement laveine ouverte par un plancher 33 présentant une forme générale d'aile horizontale à portance négative. L'allure générale du profil, suivant la ligne en trait mixte de la figure 1, peut alors être celle montrée en figure 9. 15 L'aile a une envergure égale à 1 . Son bord d'attaque est à une profondeur de l'ordre de D/2 si le seuil est à un nive de D/3. En arrière d'un seuil,à profondeur D/3, la face supérieure de l'aile descend pour augmenter la profondeur du conduit, puis se relève tandis que l'extrados descend 20 jusqu'à "une profondeur, sensiblement égale au tirant d'eau. Si elle est utilisée isolément, une telle forme de plancher assure effectivement un ralentisssement mais elle crée un tourbillon marginal qui tend à remonter à l'intérieu de l'étrave de la partie latérale 11 et à provoquer le déver 25 sèment de la couche de polluant vers l'extérieur.
Diverses solutions peuvent être utilisées pour écarte cet inconvénient.
Un premier palliatif consiste à prolonger le plancher vers l'avant au-delà de l'étrave 20 et à donner à son bord 30 d'attaque une forme présentant, du moins à proximité de la partie centrale 10, une flèche inversée. Sur la figure 1, le bord d'attaque présente, sur la majeure partie de son développement à partir de la partie centrale une flèche inversée, tandis que la partie externe 34 présente 35 une flèche notable, à partir d'une pointe qui se trouve légèrement à l'intérieur de l'étrave dans le sens transver¬ sal. Les tourbillons créés par la portion en flèche inverse provoquent une convergence de la couche de liquide léger vers la partie centrale 10, ce qui est favorable. Mais les tourbillons dûs à l'autre partie, ainsi que le tourbillon vertical dû à la pointe, tendent à provoquer une divergence.
Cette divergence résiduelle peut être compensée dans une large mesure par l'adjonction au plancher d'une aile verticale 35 dirigée vers le bas, du genre montré en traits mixtes sur la figure 9. Si elle était isolée, cette aile libérerait un tourbillon marginal dans un sens tendant à faire converger les filets fluides à une profondeur de l'ordre de D/2, ainsi qu'un tourbillon marginal antagoniste sans incidence sur l'écoulement en surface, à la profondeur D. Lorsqu'une telle aile 35 est assemblée au plancher, et si les deux profils sont choisis de façon à créer des cir¬ culations comparables, le tourbillon créé par l'aile 35 compense le tourbillon créé par la partie 34 du plancher et, de ce fait, le tourbillon vertical au niveau de la pointe disparaît.
A titre d'exemple, on a représenté en figures 10A à 10G des profils successifs du plancher 33. Sur ces figures, le profil de la partie centrale 10 de la coque à l'emplacement de la coupe est indiqué en traits pleins, tandis que le maître couple est indiqué en traits mixtes.
La figure 10A montre une coupe suivant le plan A de la figure 1, immédiatement en arrière de la pointe du plancher. On y voit l'aile verticale 35 ainsi qu'un fragment, de faible largeur, du plancher. Les figures 10B, 10C et 10D sont des coupes dans des plans échelonnés depuis celui de la figure 10A jusqu'à l'étrave 30 de la partie latérale (figure 10D). La figure 10E montre l'évolution de la section droite immédiatement derrière l'étrave, et notamment 1 'épaississement de la coque latérale 11. Enfin, les figures 10F et 10G sont des coupes approximativement au niveau des plans F et G de la figure 1. Sur la figure 10 G, on voit que la coque latérale 11 se creuse vers le haut progressivement. Cette forme cor¬ respond à un mode de réalisation dans lequel la cloison de séparation entre les deux sous-canaux constitue déversoir,
CÎ.'PI une faible fraction du débit capté se déversant, à partir du conduit, dans un sous-canal d'alimentation du sépara¬ teur. On a représenté en tirets sur la figure 10G l'allure générale que prend la cloison de séparation 36 en arrière de la section suivant le plan G. Soutirage progressif :
Comme cela a déjà été indiqué plus haut, il est nécessaire d'orienter vers un canal de décharge la majeure partie de l'eau captée jusqu'à une profondeur approxima- 10. tivement égale au demi-tirant d'eau de l'engin. Ce résul¬ tat peut être atteint grâce à un soutirage au-dessous d'une cloison. Sous réserve que. le polluant capté ne soit pas entraîné - par le mouvement descendant de l'eau pour passer sous la cloison, la couche de liquide léger polluant 15 s'épaissit au fur et à mesure que l'on se rapproche du séparateur.
Le problème à résoudre est alors l'organisation d'un écoulement en veine ouverte dans les conduits compatible à la fois avec la stabilité nécessaire de 1 ' interface eau- 20 liquide léger, même en présence de houle, avec soutirage de la quasi totalité du débit liquide initialement capté dans le conduit
Pour mieux faire comprendre le mécanisme du soutirage et le rôle des divers éléments qui entrent en jeu pour l'effectuer, on fera référence à la figure 11 qui schématis 25 la disposition de la cloison transversale qui sépare chaque conduit progressivement en deux sous-canaux.
La figure 11 montre un conduit d'amenée à section constante, que l'on assimilera au canal délimité par les surfaces 13 et 14 et le plancher 23 sur la figure 1. La 30 cloison 37 est placée obliquement par rapport à la direction du conduit, de façon à réduire progressivement la section de passage offerte à un sous-canal 38 qui va vers le sépara¬ teur . Cette cloison se termine, vers le haut, au-dessus de la surface libre et, en-dessous, à distance du fond du 35 canal. Une fraction du débit est ainsi progressivement soutirée par le fond dans un volume constituant cuvette d'amortissement 39, qui se prolonge par un sous-canal d'évacuation 40 dont la paroi externe 41 est constituée par la paroi intérieure de la partie latérale de la coque. Cett paroi externe du sous-canal d'.échappement est représentée rectiligne sur la figure 11. Dans la pratique, elle sera évidemment conformée pour correspondre à la forme de la coque.
L'écoulement vers la cuvette 39 implique un change¬ ment d'orientation des filets fluides. Pour éviter les turbulences, ce changement. d'orientation est aidé par des aubes 42 qui, en même temps, soutiennent la cloison 37. De. plus, la cloison est épaisse pour que le change¬ ment d'orientation soit progressif. La diminution de section droite qui résulte de la présence de la cloison est compensée par le fait que la cuvette représente une aug¬ mentation de la section de passage. Dans la cuvette approximativement triangulaire 39 et le sous-canal 40 qui lui succède en aval, le niveau de l'eau pourra varier. Il faut toutefois que cette varia¬ tion reste dans un domaine limité inférieurement par le risque d'entrée d'air dans la pompe de rejet et, supérieure ment, par la présence d'une charge inférieure à la charge amont. Si la pompe tourne à vitesse constante, ce qui sera le cas général, le débit qu'elle prélève dans la cuvette 39 diminue quand le niveau baisse, même dans le cas d'une section constante à l'éjection. Bien que cette variation de débit ne soit pas en phase avec celle du débit reçu par la cuvette 39, elle contribue à diminuer le volume tampon offert par la cuvette qui est nécessaire. Dans une variante de réalisation, l'orifice d'éjection est muni de moyens de réglage de section, par exemple à l'aide d'un volet commandé par un vérin. Dans ce cas, on peut asser¬ vir le vérin pour moduler la section d'éjection en fonction de la hauteur d'eau dans la cuvette, ce qui permet d'obte¬ nir des variations de débit plus importantes et dont la phase est mieux adaptée, donc de réduire le volume tampon minimum requis de la cuvette. Séparateur centrifuge :
Le courant diphasique fourni par le sous-canal d'alimentation, dans lequel l'épaisseur de la couche de liquide léger est environ dix fois plus grande qu'au début du conduit, est admis tangentiel lement dans un séparateur centrifuge à veine ouverte. Dans ce séparateur, l'écoule¬ ment en veine ouverte d'alimentation doit donner naissance à deux écoulements en veine fermée, l'un constitué par un écoulement de décharge s'échappant par le fond du sépara¬ teur vers une pompe d'extraction, l'autre par un écoulement de prélèvement aspiré par des moyens de pompage vers des récipients de stockage.
Le liquide léger étant souvent un hydrocarbure extrêmement visqueux, il est nécessaire de le réchauffer.
Ce réchauffage est à peu près impossible à réaliser en
" veine ouverte. Il s'effectuera donc dans l'écoulement en veine fermée de prélèvement, qui commence à l'entrée d'un tube vertical plongeant dans la masse de liquide, jusqu'à une profondeur dans laquelle on trouve en permanence du polluant .
Avant de décrire le mode particulier de réalisation de séparateur qui est montré schématiquement en figure 12, il faut rappeler que le fonctionnement d'un séparateur en veine ouverte est très différent de celui d'un sépara¬ teur en veine fermée, où l'on peut obtenir facilement des valeurs de la composante tangentielle de la vitesse élevées, qui four¬ nissent une accélération radiale très supérieure à l'accélération de l pesanteur. En effet, dans un écoulement en veine ouverte, la surface libre prend une pente proportionnelle au carré de la vitesse tangentielle, et une valeur trop élevée de cette dernière se traduirait par un creusement excessif de la région centrale de la masse de liquide. Par ailleurs, si les composantes radiale et verticale de la vitesse sont très faibles (et elles resteront toujours inférieures d'un ordre de grandeur à la composante tangentielle), l'inter¬ face entre la couche de liquide léger et l'eau reste sensiblement parallèle à la surface libre si la vitesse tangentielle reste constante sur toute la hauteur de la masse d'eau.
Pour obtenir un épaississement, on prévoira des moyens qui donnent à la vitesse tangentielle une valeur décroissante de la surface vers le fond, à rayon autour de l'axe du séparateur constant. - 19 - Dans le mode de réalisation montré en figure 12, ce résultat est obtenu en constituant le séparateur par une cavité 45 d'axe vertical 46 dans laquelle pénètre un tube plongeur 47. Le sous-canal d'alimentation 38 débouche
5 tangentiel lement à la partie supérieure de la cavité 45 pour entretenir le mouvement de rotation. L'effet retarda¬ teur des frottements sur le tube central 47 donne à la surface libre 48 une forme du genre indiqué sur la figure 12 et provoque un épaississement de la couche de liquide
10 léger, comme le montre la forme des frontières haute et basse 49 de l'interface sur la figure 12. Pratiquement, l'épaisseur maximale de couche polluante que l'on peut atteindre autour du tube 47 n'est limitée que par le risque d'entraînement du polluant vers le bas par l'écoulement
15 de décharge.
Pratiquement, on obtient aisément une épaisseur de couche de liquide léger de l'ordre de la moitié du rayon du tourbillon à l'orifice d'alimentation, ce qui correspond en général, à une épaisseur d'environ un centième de la
20 longueur hors tout de l'engin.
Le séparateur montré sur la figure 12, que l'on peut considérer comme une coupe suivant un plan sensiblement parallèle au plan médian de l'engin, comporte une plaque épaisse horizontale 50 de partition percée d'un trou
25 central approximativement circulaire et centré sur l'axe 46. La plaque 50 limite une chambre d'alimentation dans laquelle débouche le sous-canal d'alimentation 38 qui entretient l'écoulement tourbillonnaire et dont la paroi présente une forme approximativement cylindrique dont la
30 directrice est une spirale. La chambre de décharge placée au-dessous de la plaque 50 est délimitée vers le bas par un plancher 51. Elle s'ouvre par un canal d'échappement tangentiel 52. L'écoulement dans cette chambre et le canal d'échappement divergent présente une large symétrie
35 avec l'écoulement d'alimentation. Le moment cinétique de la masse d'eau déchargée est conservé, aux pertes de charge près. L'énergie correspondant peut être récupérée dans un tourbillon placé en aval ou le canal d'échappement 52 peut déboucher directement dans une pompe d'extraction,
y o. τι qui peut d'ailleurs être confondue avec la pompe de propulsion 53 (figure 1) qui reçoit le débit provenant du sous-canal 40. Il faut remarquer que, sauf dans la région centrale du tourbillon, le niveau de la veine libre dépassera celui de la flottaison du fait de la conservation de l'énergie de l'écoulement et il faut tenir compte du poids du volume d'eau correspondant dans l'équi¬ libre longitudinal de l'engin.
Le tube 47 doit aspirer tout le débit de liquide léger polluant qui arrive au séparateur, ce qui implique qu'il aspire en même temps un débit d'eau suffisant pour entraîner le polluant même si la viscosité de celui-ci est si élevée qu'il se présente en grumeaux. Pour éviter que le polluant n'obstrue progressivement le tube plongeur 47 en se collant le long de sa paroi interne, le tube 47 montré en figure 12 est à double paroi et présente un conduit interne 54 d'amenée de vapeur qui s'échappe ver le haut par une série de trous 55 ménagés dans un rebord interne du tube, à la partie basse de celui-ci. Cette injection de vapeur réchauffe en même temps le polluant et en rend la manutention plus facile. Il faut noter au passage que l'eau d'entraînement aspirée par le tube plongeur tend à occuper la partie centrale du tube et qu'e conséquence l'injection de vapeur à la périphérie réchauff préférentiellement le polluant. Pour éviter que la vapeur ne sorte à trop grande vitesse des trous 55, on peut pré¬ voir sur le conduit 54 des étranglements calibrés d'entrée : le laminage correspondant est adiabatique et ne modifie pas sensiblement l'apport de chaleur de la vapeu On voit que la couche de liquide léger polluant se concentre dans le séparateur pour former un noyau dont l'épaisseur et le volume correspondent à un équilibre entr le. débit aspiré par le tube 47 et un débit injecté qui peut varier très rapidement, puisqu'il est sensiblement proportionnel à chaque instant à l'épaisseur de la couche de liquide polluant, elle-même en gros cinquante fois plus grande que l'épaisseur moyenne de la nappe polluante au droit de l'étrave 20. Ce noyau constitue un volume tampon Il est normalement maintenu entre des limites déterminées - en commandant la pompe (non représentée) d'aspiration du liquide léger par un relais actionné par des moyens de détermination de niveau de l'interface, indiqués schéma- tiquement en 56. Ces moyens peuvent être constitués notam- 5 ment par une cellule électrique ou par un flotteur dont la densité moyenne est comprise entre celle de l'eau et celle du liquide léger, relié à un relais de commande du moteur de la pompe.
La totalité du liquide léger polluant doit être 10 aspirée par le tube 47. Pour remplir cette condition à coup sûr, alors que le débit de ce liquide subit des variations impossibles à mesurer, il faut admettre dans l'écoulement aspiré une proportion d'eau, qui en règle générale sera inférieure à deux tiers. Cette proportion" 15 est suffisamment faible pour que l'eau résiduelle puisse être éliminée par un séparateur centrifuge classique (non représenté) fonctionnant en veine fermée, interposé entre le tube 47 et la pompe d'aspiration.
Le liquide léger finalement obtenu sera stocké. Ce 2o stockage peut s'effectuer dans des citernes placées à bord- de l'engin dépollueur, d'où le polluant sera ulté¬ rieurement transvasé dans des réservoirs placés à terre. On peut toutefois, surtout dans le cas d'engins de petite dimension, stocker le polluant dans des conteneurs qui 25 sont fermés et lestés. Ces conteneurs sont ensuite immergés au fur et à mesure de leur remplissage à des emplacements repérés par des bouées. Les conteneurs sont ensuite repêchés par des navires non spécialisés.
Il faut remarquer que le volume tampon représenté 30 par le noyau sera généralement suffisant pour autoriser un arrêt momentané de la pompe d'aspiration pendant le temps nécessaire à un changement de récipient de stockage de liquide léger polluant.
Jusqu'à présent, il a essentiellement été question 35 des moyens permettant d'épaissir l'épaisseur de la couche polluante, puis de l'extraire en même temps qu'un débit aussi faible que possible d'eau. Il s'agit là des moyens dont le rôle est essentiel en eau calme. Mais, dans les conditions de travail à la mer, il faut de plus éviter le déferlement et la formation de ressauts à des emplacement où ils risquent de provoquer un brassage nuisible à la sépa¬ ration, en particulier dans les. conduits et à leur entrée constituant orifice de prise. Un premier remède consiste à réduire l'amplitude de la houle provenant de l'arrière en allure de fuite, au cours de son trajet le long de la coque avant qu'elle n'atteigne les orifices de prise. Dans le mode de réalisation montré en figures 1, 2 et 3, l'engin comporte une aile arrière 57. Il est préférable que cette aile ne déborde pas de l'engin vers l'arrière. L'épaisseur de l'aile 57 augmente de l'arrière vers l'avant et l'aile est placée à une profon¬ deur légèrement inférieure^ au tirant d'eau de l'engin. En allure de fuite par rapport à la houle, surtout sur des engins de grande longueur, l'aile 57 amortit le mouvement absolu de la houle dans une zone de pénombre qui recouvre tout l'écoulement en veine libre avant entrée dans les ori¬ fices de captation des conduits.
De plus, sur les engins de grande longueur, l'aile réduit l'amplitude du tangage. Sur les engins de faible longueur, elle amortit le mouvement relatif du navire par rapport à la mer, surtout si elle présente une portance positive. L'aile joue enfin un rôle de quille anti-roulis. Un second remède tient compte de ce que les pertur- bâtions les plus dangereuses du point de vue du risque de déferlement sont celles qui remontent l'écoulement général. De telles perturbations peuvent apparaître dans les conduits par suite de la réflexion des ondes qui descendent le conduit, puis le sous-canal d'échappement vers la partie en charge de ce dernier.
Ce résultat peut notamment être atteint grâce à une géométrie du sous-canal d'évacuation qui conduit à un déferlement localisé en arrière de la cloison 37 (dans le sens de l'écoulement général) et à proximité immédiate de cette cloison et à une commande appropriée de la pompe de propulsion, afin de maintenir dans la cuvette 39 une hauteur de charge suffisamment basse pour assurer un écoulement torrentiel .
Les conditions à établir apparaîtront mieux si on analyse l'écoulement d'évacuation vers le sous-canal 40 sur un schéma simplifié du conduit 16, de la cuvette 39 et du sous-canal 40, qui passe en charge en aval de la cuvette. Les figures 14 et 15 schématisent ces composants de l'installation en alignement pour faciliter l'analyse. *
La pompe d'aspiration du débit qui parcourt le sous-canal 40 est commandée de façon que ce sous-canal reste en charge et qu'il n'y ait pas d'admission d'air dans la pompe et aussi de façon à maintenir immédiatement en amont une vitesse et une hauteur d'eau telles que l'écou lement soit de type fluvial, c'est-à-dire avec un nombre de Froude inférieur à 1. On donne à la cuvette 39 une largeur 1~ supérieure à la largeur 1, du conduit et on y place un déversoir noyé 59 qui réduit la profondeur et, corrélativement, provoque un accroissement local de la vitesse. L'élargissement lp/li et **••-** hauteur du déversoir 59 sont choisis de façon que les variations subies par l'écoulement de l'amont à l'aval soient les suivantes. Dans le conduit 16, en amont de la cloison 37, la vitesse d'écoulement et la profondeur h. sont telles que l'écoulement est fluvial (nombre de Froude inférieur à 1). Dans la partie amont de la cuvette, ce caractère fluvial est encore accru du fait de la diminution de la vitesse provoquée par l'augmentation de largeur. Par contre, la profondeur h2 de l'écoulement au droit du déversoir devient telle que le nombre de Froude devient égal, puis supérieur, à 1. Il se maintient supérieur à 1, puis l'écoulement redevient fluvial avec formation d'un ressaut 60 qui est susceptible de se déplacer lon- gitudinalement dans un domaine limité. Les perturbations se propageant d'amont en aval traversent le ressaut et peuvent se réfléchir sur l'entrée du sous-canal en charge 40. Mais les perturbations réfléchies ne peuvent franchir le ressaut et venir perturber l'écoulement dans le conduit .
L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples mais, au contraire est susceptible de nombreuses variantes de réalisation On peut en particulier noter que des moyens autres que les ailes verticales 35 montrées en figures 1 et 10 peuvent être utilisés. La figure 16 montre à titre d'exemple une aile 67 de forme annulaire susceptible d'être utilisée à l'avant du plancher 33. Cette aile se raccorde au plancher 33 par un profil qui peut être similaire à celui montré en figure 10G puis l'aile se retourne vers l'avant pour se raccorder à la partie centrale 10 de la coque par un profil proche de l'horizontale, comme indiqué par une coupe rabattue en tirets. A son emplanture sur lé plancher 33, l'aile a toutefois une longueur moindre que dans le cas de la figure 10 et une incidence plus forte, de façon que l'aile 61 ne descende pas au-dessous du tirant d'eau de la coque. Cette disposition apporte un double avantage.
L'aile annulaire, encastrée à ses deux extrémités, a une rigidité et une résistance plus importante qu'une aile en porte à faux ; on supprime les tourbillons libres qui s'échappent d'une aile du genre montré en figures 1 et 10, tourbillons qui peuvent être dans certains cas gênants bien qu'ils soient libérés à profondeur importante. Le plancher 33 du mode de réalisation montré en figures 1 , 2 et 9 est plein. En dépit du ralentissement de l'écoulement réalisé en amont de la captation, il limite la vitesse à laquelle peut se déplacer l'engin, étant donné qu'il est nécessaire d'éviter un déversement. Dans la variante de réalisation montrée en figures 17 et 1 on écarte dans une large mesure cette limitation en ef¬ fectuant la captation (c'est-à-dire la séparation entre l'écoulement pollué prélevé et l'eau retournée à la nappe ambiante) en deux étapes. On ferme d'abord laté¬ ralement la veine de liquide prélevé par la coque latéral 11, placée obliquement,et on ferme ensuite.la veine par le plan¬ cher 33 en aval de la proue de la coque latérale. Dans sa partie amont, le plancher 33 se limite à des aubes 65 et 66 inclinées, reliant les deux coques et de profon¬ deur progressivement décroissante (figure 17). Ces aubes ont pour but d'éjecter vers lé bas et vers l'extérieur, sous la coque latérale 11, la partie inférieure du débit d'eau de la veine, partie qui ne contient pas de polluant. La partie avant de la coque latérale aura dans ce cas une profondeur comprise entre la moitié et le tiers du tirant d'eau. La partie non rejetée de la veine est dirigée vers les pompes.
La courbe en trait plein sur la figure 19 montre la variation du débit d'alimentation fourni à un sous-canal débouchant dans des moyens de pompage en fonction du temps, en présence d'une houle de période T. Ce débit d'alimentation se déverse dans une cuvette d'amortissement 39 (figure 20) communiquant avec les moyens de pompage 53 par un conduit en charge 40. Les moyens de pompage 53 sont prévus pour aspirer un débit approximativement constant (ligne en tirets sur la figure 19) qui correspond au débit moyen d'alimentation. Le niveau de la masse d'eau contenue dans la cuvette varie donc en fonction du temps, la différence entre le volume moyen et le volume minimal d'eau dans la cuvette étant représentée par la surface hachurée sur la figure 19. A chaque valeur de cette différence de volume correspond une différence entre le niveau moyen πii de l'eau dans la cuvette (en aval du ressaut 60 dû notamment à la présence du déversoir noyé 59) et le niveau bas. Cette différence est d'autant plus grande que la surface en plan de la cuvette 39 est plus faible.
Il faut éviter que les moyens de pompage 53 aspirent de l'air, ce qui impose d'interdire au niveau bas de descen¬ dre au-dessous d'une limite _1_ au-delà de laquelle le tunnel 40 n'est plus en charge. Il faut remarquer que toute aspira¬ tion d'air par la pompe amplifie le phénomène car le canal d'éjection dans lequel est placée la pompe se vide alors partiellement de l'eau qu'il contient, ce qui tend à rele¬ ver l'arrière de l'engin et, notamment, le seuil du déver¬ soir 59, d'où une diminution supplémentaire du débit d'ali¬ mentation.
Le risque de dénoyage des moyens de pompage 53 est évité en munissant le sous-canal de moyens d'alimentation en eau à partir de la nappe d'eau dans laquelle circule l'engin. Dans le mode de réalisation montré en figure 21, les moyens d'alimentation du sous-canal en eau d'appoint sont constitués par une ouverture 62 ménagée dans le plancher pour réaliser une communication permanente entre le sous- canal et la mer. L'ouverture représentée est placée dans la partie avant du tunnel en charge 40. Le plafond de cette partie avant présente un seuil 61 en saillie vers le bas, permettant de diminuer encore le risque d'aspiration d'air. Pour le niveau moyen ni, l'écoulement des filets d'eau au fond du sous-canal s'effectue le long du plancher en amont et en aval de l'ouverture 62 (flèche fn) . Lorsque le niveau descend du fait d'une diminution du débit d'alimentation, il y a aspiration d'eau à partir de la nappe ambiante (flè¬ che fj). On peut ainsi, pour le débit qui correspond à la limite dans le cas de la figure 20, maintenir dans la cuvette 39 un niveau bas b_ suffisant pour éviter toute aspiration d'air. On peut aisément déterminer expérimentalement les di¬ mensions optimales à donner à l'ouverture 62. En règle géné¬ rale, cette ouverture sera soit à l'entrée de la partie en charge 40, soit immédiatement en amont, en partie sous le seuil 61. Lorsque le niveau de l'eau dans la cuvette d'amor- tissement 39 est supérieur au niveau moyen, il y a éjection d'eau par l'ouverture 62 : cette éjection est sans inconvé¬ nient, ce débit d'eau étant dépourvu de polluant.
Suivant la position relative en hauteur et en angle d'incidence du bord d'attaque 63 en aval de l'ouverture 62 et du bord de fuite 64 en amont, on peut donner au débit d'appoint vers les moyens de pompage 53 une valeur moyenne dans le temps qui est positive, nulle ou même négative, lorsque l'engin se déplace à sa vitesse de mise en oeuvre normale, le débit d'appoint étant toujours positif dans le cas d'une vitesse nulle. Si par exemple on prévoit l'ouver¬ ture 62 pour qu'elle fournisse un débit d'appoint moyen de m'prdre de 10 à 20% du débit total aspiré par les moyens de pompage 53, on peut obtenir un débit maximal de l'ordre de 50% du débit aspiré par la pompe, ce qui fait clairement apparaître une incidence très importante sur le maintien du niveau dans la cuvette d'amortissement 39 à une hauteur suffisante .
L'ouverture d'entrée d'un- débit d'apport peut être munie de volets oscillants évitant l'éjection d'une frac-
OMPI tion du débit qui a franchi le déversoir noyé. Ces volets peuvent être munis de vérins qui les maintiennent fermés lorsque l'engin se déplace sans fonctionner pour prélever une couche de liquide léger, par exemple pour aller vers un lieu d'intervention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Engin de prélèvement sélectif d'une couche de liquide léger flottant à la surface d'une nappe d'eau susceptible d'être soumise à la houle, comprenant une coque
5 munie de moyens de propulsion permettant de le maintenir en allure de fuite, la coque ayant une partie centrale (10) qui fait saillie vers l'avant par rapport à deux parties latérales (11) qui délimitent avec la partie centrale des conduits (16) d'amenée à des séparateurs et la partie cen-
10 traie présentant des moyens déflecteurs, tels qu'une aile (17), pour créer des tourbillons dont l'orientation tend à diminuer la divergence de l'écoulement en surface autour de la coque, caractérisé en ce que chaque conduit (16) comporte un plancher à profil déporteur dont le bord
15 d'attaque fait saillie en amont de l'orifice d'entrée des conduits, plancher destiné à ralentir l'écoulement en amont du bord d'attaque et à provoquer un épaississement progressif de la couche de liquide léger et en ce qu'une cloison (37) approximativement verticale et se terminant
20 à distance de la limite haute ou basse de la lame d'eau qui parcourt le conduit sépare ce dernier, sur une fraction de sa hauteur, en deux sous-canaux (38, 40) dont l'un communique en aval avec le séparateur et dont l'autre débouche en aval dans des moyens (53) de pompage et de
25 rej.et de l'eau à l'arrière de l'engin pour provoquer un effet propulsif.
2. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cloison (37) se termine à distance du plancher et est renflée dans sa partie basse pour limiter la courbure
30 des filets de liquide qui passent du conduit et du pre¬ mier sous-canal (38) au second sous-canal (40), la section totale des deux sous-canaux étant sensiblement constante le long de l'écoulement et la section du sous-canal allant vers le séparateur diminuant tandis que l'autre augmente. 5 3* Engin suivant la revendication 1, caracté¬ risé en ce que le plancher présente une forme d'aile dont le bord d'attaque a une flèche négative à proximité de la partie centrale de la coque.
4. Engin suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la fraction (34) la plus à l'extérieur du bord d'attaque du plancher présente une flèche positive au droit de l'étrave (30) de la partie latérale (11) de la coque et en ce que le plancher porte, à proximité du bord d'attaque, une aile approximativement verticale (35) de compensation des effets de divergence en surface dûs au bord d'attaque du plancher.
5. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le plancher présente un profil à cambrure dirigée vers le bas, dont l'intrados présente un seuil à une profondeur sensiblement égale à la moitié du tirant d'eau du bateau, puis un approfondissement jusqu'à la distance maximum compatible avec la tenue mécanique du plancher.
6. Engin suivant la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce que les moyens déflecteurs sont constitués par une aile à portance posi¬ tive dont le bord d'attaque est situé en avant du point où l'étrave (20) de la partie centrale (.10) de la coque coupe. la ligne d'eau, l'envergure de l'aile étant sensiblement égale à la largeur hors tout de la coque.
7. Engin suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'aile (17) est à une profondeur du même ordre que le tirant d'eau de la coque pour éviter les déferlements et en ce que l'aile porte des ailerons sensiblement verticaux, présentant une convergence importante vers l'avant, en saillie vers le haut à partir de l'aile à proximité des extrémités de celle-ci pour relever les tourbillons.
8. Engin suivant la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que l'aile présente une profon¬ deur du même ordre que le tirant d'eau de la coque à l'emplan- ture et une partie enroulée pour présenter un dièdre pro¬ gressivement croissant vers ses extrémités.
9. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'étrave (20) de la partie centrale (10) forme, au-dessous de la ligne d'eau, un éperon à bulbe se raccordant avec l'aile.
10. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-canal qui
OLC-I débouche dans les moyens de pompage comporte un déversoir noyé destiné à provoquer le déferlement des perturbations qui remontent l'écoulement.
11. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une aile arrière immergée à une profondeur du même ordre que le tira d'eau de la coque, destinée à affaiblir la houle en allure de fuite et à réduire les perturbations, à l'entrée des con¬ duits.
12. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque séparateur compor une cavité (45) d'axe vertical (46) séparée par une plaque horizontale (50) percée d'un trou central en une chambre d' alimentation. dans laquelle débouche le sous-canal (38) et une chambre de décharge s'ouvrant dans un canal d'échappe¬ ment tangentiel (52), le séparateur comportant de plus un tube central (47) plongeant dans la partie haute de l'écou¬ lement tourbillonnaïre à surface libre dans la chambre d'alimentation et communiquant avec Une pompe d'aspiration du liquide léger.
13. Engin suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le tube (47) est à double paroi et présente un conduit interne (54) d'amenée de vapeur qui s'échappe vers le haut par des trous ménagés dans un rebord interne du tube à partie basse de celui-ci.
14. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-canal qui débouche dans les moyens de pompage est muni de moyens d'alimentation en eau à partir de la nappe d'eau prévus pour fournir un débit d'appoint aux moyens de pompage, au moins lorsque le niveau dans ce canal descend jusqu'à une hauteur déterminée et la dépasse.
15. Engin suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens pour fournir un débit d'appoint sont constitués par une ouverture (62) ménagée dans la paroi du sous-canal .
16. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le plancher (33) est constitué dans sa partie avant par des aubes (65,66) reliant chacune la partie centrale (10) à une des parties latérales (11) et en ce que chaque partie latérale se prolonge vers l'avant dans ladite partie avant et présente, dans sa partie raccordée aux aubes, une profondeur comprise entre le tiers et la moitié du tirant d'eau de l'engin.
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EP82903459A 1981-11-23 1982-11-23 Engin de prelevement selectif d'une couche de liquide leger a la surface d'une nappe d'eau Expired EP0093759B1 (fr)

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