FR2928427A1 - Three-directional structured surface for wall of e.g. pressurized natural gas transport pipe, has base shape associated to shapes of transverse and meridian waves, where period of meridian wave is equal to half of period of transverse wave - Google Patents
Three-directional structured surface for wall of e.g. pressurized natural gas transport pipe, has base shape associated to shapes of transverse and meridian waves, where period of meridian wave is equal to half of period of transverse wave Download PDFInfo
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Abstract
Description
Domaine de l'invention Field of the invention
L'invention concerne le domaine des caractéristiques aérodynamiques d'une paroi en contact avec un fluide en écoulement turbulent. Objet de l'invention The invention relates to the field of aerodynamic characteristics of a wall in contact with a fluid in turbulent flow. Object of the invention
L'invention concerne une nouvelle structure tridimensionnelle, combinant une surface structurée bidimensionnelle avec une forme d'onde périodique transverse et une forme 10 d'onde périodique méridienne sensiblement orthogonales, sensiblement en phase et toutes les deux avec leur axe moyen dans la direction de l'écoulement, la période de l'onde méridienne étant sensiblement égale à la moitié de la période de l'onde transverse. L'invention concerne également une méthode d'optimisation du comportement 15 aérodynamique d'un fluide en écoulement turbulent au contact d'une paroi par le dimensionnement d'une structure tridimensionnelle. Les autres objets de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante. The invention relates to a novel three-dimensional structure, combining a two-dimensional structured surface with a substantially orthogonal, substantially phase-wise transverse periodic waveform and a meridian periodic waveform, and both with their mean axis in the direction of the flow, the period of the meridian wave being substantially equal to half the period of the transverse wave. The invention also relates to a method for optimizing the aerodynamic behavior of a fluid in turbulent flow in contact with a wall by the dimensioning of a three-dimensional structure. The other objects of the invention will become apparent on reading the following description.
Art antérieur Sous le terme "paroi" ou "surface" on entend dans la suite de la description, soit l'intérieur d'une conduite dans laquelle circule un fluide, soit une plaque immergée dans un fluide en déplacement relativement à la plaque. Ce pourra être, par exemple, la partie interne d'un canal ou d'une conduite non revêtus ou revêtus intérieurement. 25 On entend par "plan méridien" un plan normal à la surface et parallèle à l'écoulement. De même, une "onde méridienne" est une onde normale à la surface et dont l'axe moyen est parallèle à l'écoulement principal. Si l'écoulement est orienté dans la direction longitudinale X, l'onde méridienne se situe dans un plan (X, Y), Y étant la direction 30 normale. PRIOR ART Under the term "wall" or "surface" is meant in the rest of the description, either the interior of a pipe in which a fluid circulates, or a plate immersed in a fluid moving relative to the plate. This may be, for example, the inner part of a channel or pipe uncoated or lined internally. By "meridian plane" is meant a plane normal to the surface and parallel to the flow. Similarly, a "meridian wave" is a wave normal to the surface and whose average axis is parallel to the main flow. If the flow is oriented in the longitudinal direction X, the meridian wave lies in a plane (X, Y), where Y is the normal direction.
On entend par "onde transverse" ou "onde transversale" une onde parallèle à la paroi en contact avec l'écoulement et dont l'axe moyen est parallèle à l'écoulement principal. Si l'écoulement est orienté dans la direction longitudinale X, l'onde transverse se situe dans 35 un plan (X, Z), Z étant la direction transverse. The term "transverse wave" or "transverse wave" means a wave parallel to the wall in contact with the flow and whose average axis is parallel to the main flow. If the flow is oriented in the longitudinal direction X, the transverse wave is in a (X, Z) plane, where Z is the transverse direction.
Par "propriétés aérodynamiques" on entend par exemple, dans le cas d'un canal ou d'une conduite, la perte de charge ou perte de pression ou perte d'énergie occasionnées par 1 20 l'écoulement d'un fluide le long de la paroi. Dans le cas plus général d'une plaque ou d'une paroi, on considère la force de traînée ou le facteur de friction occasionnés par l'écoulement le long de cette paroi. By "aerodynamic properties" is meant, for example, in the case of a channel or pipe, the loss of pressure or loss of pressure or loss of energy caused by the flow of a fluid along Wall. In the more general case of a plate or a wall, one considers the drag force or the friction factor caused by the flow along this wall.
Ces pertes de charges ou force de traînée dépendent non seulement des conditions d'écoulement, mais également des caractéristiques de la paroi. La paroi sera caractérisée selon le cas par son état de surface, par exemple des aspérités, sa forme géométrique telle que des stries, ou encore par la présence d'un film la recouvrant ou du matériau la constituant. These pressure losses or drag force depend not only flow conditions, but also the characteristics of the wall. The wall will be characterized as appropriate by its surface condition, for example asperities, its geometric shape such as streaks, or by the presence of a film covering or material constituting it.
La présente invention s'applique avantageusement dans le domaine du transport de gaz, notamment le gaz naturel sous pression sur de longues distances dans des gazoducs. Les pertes de charge peuvent en effet atteindre plusieurs dizaines de bars, et il s'avère alors nécessaire de recomprimer le gaz à des intervalles réguliers, par exemple à terre, en utilisant des stations de recompression plus ou moins rapprochées, ou de plus ou moins grande puissance, en fonction des pertes de charge ou par exemple en mer, en utilisant des canalisations de plus ou moins grand diamètre selon les pertes de charge. De telles stations ou conduites contribuent à augmenter les coûts de production. De manière plus générale, savoir maîtriser les caractéristiques aérodynamiques de l'état de surface d'une conduite de transport en optimisant les caractéristiques de sa géométrie de surface interne permet de minimiser les pertes de charge pouvant être induites. The present invention is advantageously applied in the field of gas transport, especially natural gas under pressure over long distances in gas pipelines. The pressure losses may indeed reach several tens of bars, and it is then necessary to recompress the gas at regular intervals, for example on the ground, using more or less close recompression stations, or more or less high power, depending on the pressure drops or for example at sea, using pipes of greater or lesser diameter depending on the pressure losses. Such stations or pipes help to increase production costs. More generally, knowing how to control the aerodynamic characteristics of the surface state of a transport pipe by optimizing the characteristics of its internal surface geometry makes it possible to minimize the pressure losses that can be induced.
Principe de fonctionnement des surfaces structurées Les surfaces structurées conventionnelles se présentent sous la forme de rainures alignées dans la direction de l'écoulement. Elles ont la propriété, entre autres, de réduire la traînée aérodynamique le long d'une paroi. Cette propriété résulte d'une atténuation, dans la direction transverse à l'écoulement, des fluctuations de vitesse et, par conséquent, de la composante correspondante de la turbulence. Cependant, ce n'est que lorsque les dimensions des structures pariétales sont adaptées à celles des structures turbulentes que cette réduction de traînée apparaît. Ainsi, lorsque les dimensions de ces structures solides sont sensiblement plus grandes que la dimension moyenne des structures turbulentes, les pertes par friction visqueuse augmentent, diminuant l'effet d'une réduction de la turbulence transversale. Il est même possible d'obtenir une augmentation de la traînée (relativement à une surface lisse) lorsque les structures pariétales sont significativement plus grandes que les structures turbulentes. A l'inverse, lorsque les dimensions des structures solides sont sensiblement plus petites que la dimension moyenne des structures turbulentes, la réduction de la turbulence transversale se réduit jusqu'à s'annuler. Pour une forme donnée de structure solide, l'adaptation de ses dimensions à la dimension moyenne des structures turbulentes permet d'obtenir un optimum de réduction de la traînée. Lorsque à la fois la forme et les dimensions des structures solides sont adaptées, la réduction de traînée est maximum. Working Principle of Structured Surfaces Conventional structured surfaces are in the form of aligned grooves in the direction of flow. They have the property, among others, to reduce the aerodynamic drag along a wall. This property results from an attenuation, in the direction transverse to the flow, of the fluctuations of velocity and, consequently, of the corresponding component of the turbulence. However, it is only when the dimensions of the parietal structures are adapted to those of the turbulent structures that this reduction of drag appears. Thus, when the dimensions of these solid structures are substantially larger than the average size of the turbulent structures, the viscous friction losses increase, decreasing the effect of a reduction in transverse turbulence. It is even possible to obtain an increase in drag (relative to a smooth surface) when the parietal structures are significantly larger than the turbulent structures. Conversely, when the dimensions of the solid structures are substantially smaller than the average size of the turbulent structures, the reduction of the transverse turbulence is reduced to zero. For a given form of solid structure, the adaptation of its dimensions to the average size of the turbulent structures provides an optimum reduction of drag. When both the shape and the dimensions of the solid structures are adapted, the drag reduction is maximum.
Types de surfaces structurées La réduction de traînée est optimale lorsque la dimension des structures est adaptée aux caractéristiques d'écoulement du fluide, principalement, la densité, la viscosité et la vitesse du fluide relativement à une paroi. Les surfaces structurées peuvent être classées en deux catégories selon leur forme et 10 leurs performances hydro / aérodynamiques : Types of Structured Surfaces Drag reduction is optimal when the dimension of the structures is adapted to the flow characteristics of the fluid, mainly the density, viscosity and velocity of the fluid relative to a wall. Structured surfaces can be classified into two categories according to their shape and their hydro / aerodynamic performance:
Formes bi dimensionnelles Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent s'assimiler à des rainures orientées dans la direction de l'écoulement. Le mode de dimensionnement des formes bi-dimensionnelles 15 est connu de l'homme du métier. La forme de base (dans la direction perpendiculaire à l'écoulement) est très variable : triangulaire, incurvée, trapézoïdale ou en lame de couteau. La réduction de traînée dépend de la forme transversale de la structure. Par exemple, le brevet EP 0 846 617 A2 décrit des formes structurées bi - dimensionnelles avec différentes formes transversales, en particulier, différentes formes 20 trapézoïdales. Le dimensionnement de la largeur et de la hauteur des structures est défini de façon conventionnelle en fonction de la longueur de friction. Two-dimensional shapes In this case, structured surfaces can be likened to grooves oriented in the direction of flow. The sizing mode of the two-dimensional shapes is known to those skilled in the art. The basic shape (in the direction perpendicular to the flow) is very variable: triangular, curved, trapezoidal or knife-shaped. The drag reduction depends on the transverse shape of the structure. For example, EP 0 846 617 A2 describes two-dimensional structured forms with different transverse shapes, in particular different trapezoidal shapes. Sizing of the width and height of the structures is conventionally defined according to the length of friction.
Formes tri dimensionnelles Dans ce cas, les surfaces structurées peuvent comporter des formes relativement 25 complexes permettant à la surface d'agir selon plusieurs composantes des évolutions de la turbulence. La réduction de traînée est généralement supérieure à celle des surfaces bi-dimensionnelles. Toutefois, elle dépend fortement de la forme tri dimensionnelle de la structure. Le brevet EP 0 819 601 décrit la superposition de plusieurs formes géométriques 30 structurées et de différentes dimensions dans le plan radial , mais la forme des structures ne varie pas dans la direction longitudinale (direction de l'écoulement). De même, des structures discrètes disposées en quinconce dans la direction de l'écoulement sont décrites dans le brevet DE 36 09 541 Al. Le brevet US 5 114 099 décrit des structures diamantées dont les longueurs sont sensiblement les mêmes dans 35 deux directions orthogonales parallèles à la surface de la paroi. Tri-dimensional Forms In this case, the structured surfaces may have relatively complex shapes allowing the surface to act in several components of the evolutions of the turbulence. Drag reduction is generally greater than that of two-dimensional surfaces. However, it strongly depends on the tri-dimensional shape of the structure. EP 0 819 601 describes the superposition of a plurality of geometrical shapes 30 structured and of different dimensions in the radial plane, but the shape of the structures does not vary in the longitudinal direction (direction of flow). Similarly, discrete structures staggered in the direction of flow are described in DE 36 09 541 A1. US 5,114,099 discloses diamond structures whose lengths are substantially the same in two parallel orthogonal directions. on the surface of the wall.
La demande de brevet US 2004 / 155 150 Al décrit des structures conventionnelles avec une modulation de leur largeur et de leur hauteur alternée entre deux structures adjacentes. The patent application US 2004/155 150 A1 describes conventional structures with a modulation of their width and their alternating height between two adjacent structures.
Le brevet US 6 345 791 décrit une forme d'onde dans le plan méridien (ou normal à la surface et parallèle à l'écoulement), mais ne décrit pas de forme d'onde dans le plan transverse. Le brevet FR 2 899 945 décrit une nouvelle forme structurée tri dimensionnelle comportant à la fois une structure de base bi dimensionnelle superposée à une onde transversale, l'ensemble stabilisant les fluctuations de vitesse dans au moins deux directions (deux degrés d'action). Dans ce brevet, l'onde transversale est définie par une forme périodique, la longueur de l'onde dans la direction longitudinale est définie par une période adimensionnelle optimale et l'amplitude est définie par un paramètre d'excitation ou, dans le cas d'une onde sinusoïdale, par l'angle au point d'inflexion. US Pat. No. 6,345,791 describes a waveform in the meridian plane (or normal to the surface and parallel to the flow), but does not describe a waveform in the transverse plane. Patent FR 2,899,945 describes a new tri-dimensional structured form comprising both a two-dimensional basic structure superimposed on a transverse wave, the assembly stabilizing the speed fluctuations in at least two directions (two degrees of action). In this patent, the transverse wave is defined by a periodic shape, the length of the wave in the longitudinal direction is defined by an optimal dimensionless period and the amplitude is defined by an excitation parameter or, in the case of a sinusoidal wave, by the angle at the point of inflection.
La présente invention se propose d'améliorer la réduction de la traînée en déformant une forme de base bi-dimensionnelle dans la direction longitudinale avec deux formes d'ondes sensiblement orthogonales : une onde méridienne et une onde transverse, les ondes étant sensiblement en phase, la période de l'onde méridienne étant sensiblement égale à la moitié de la période de l'onde transverse. Par "sensiblement", on entend que des variations d'une amplitude maximale de 10% autour des valeurs définies de phase, de période, d'angle entre les ondes méridienne et transverse sont admissibles et incluses dans le champ de l'invention. The present invention proposes to improve the drag reduction by deforming a two-dimensional base shape in the longitudinal direction with two substantially orthogonal waveforms: a meridian wave and a transverse wave, the waves being substantially in phase, the period of the meridian wave being substantially equal to half the period of the transverse wave. By "substantially" is meant that variations of a maximum amplitude of 10% around the defined values of phase, period, angle between the meridian and transverse waves are permissible and included in the scope of the invention.
Description de l'invention Description of the invention
Résumé de l'invention La présente invention concerne une surface structurée tri dimensionnelle d'une paroi en contact avec un fluide en écoulement turbulent comprenant une forme structurée de base bi dimensionnelle orientée dans la direction de l'écoulement associée à une forme d'onde périodique transverse et une forme d'onde périodique méridienne. L'onde transverse et l'onde méridienne sont sensiblement orthogonales, sensiblement en phase et la période de l'onde méridienne est sensiblement égale à la moitié de la période de l'onde transverse. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a three-dimensional structured surface of a wall in contact with a turbulent flow fluid comprising a two-dimensional basic structured form oriented in the direction of flow associated with a periodic waveform. transverse and a periodic meridian waveform. The transverse wave and the meridian wave are substantially orthogonal, substantially in phase and the period of the meridian wave is substantially equal to half the period of the transverse wave.
La période adimensionnelle de l'onde transverse Tt' peut être comprise entre 50 et 200. Le paramètre d'excitation de l'onde transverse E = Z+/Tt+3 peut être compris entre 2.10-5 et 5.10.4.. Le paramètre d'excitation E peut être compris entre 3.5.10-5 et 3.10-4. The adimensional period of the transverse wave Tt 'can be between 50 and 200. The excitation parameter of the transverse wave E = Z + / Tt + 3 can be between 2.10-5 and 5.10.4. The parameter E excitation can be between 3.5.10-5 and 3.10-4.
L'onde transverse et l'onde méridienne peuvent être de même nature, triangulaire, rectangulaire, sinusoïdale, ou autre. The transverse wave and the meridian wave may be of the same nature, triangular, rectangular, sinusoidal, or other.
L'onde transverse et l'onde méridienne peuvent être de nature différente, triangulaire, rectangulaire, sinusoïdale, ou autre. The transverse wave and the meridian wave may be of different types, triangular, rectangular, sinusoidal, or other.
L'onde transverse peut être sinusoïdale. The transverse wave can be sinusoidal.
L'angle de l'onde transverse peut être compris entre 7 et 20 degrés. The angle of the transverse wave can be between 7 and 20 degrees.
L'angle de l'onde méridienne peut être compris entre 5 et 25 degrés. The angle of the meridian wave can be between 5 and 25 degrees.
La présente invention concerne également une méthode d'optimisation du comportement aérodynamique d'un fluide en écoulement turbulent au contact d'une paroi dans laquelle The present invention also relates to a method for optimizing the aerodynamic behavior of a fluid in turbulent flow in contact with a wall in which
on dimensionne une surface tridimensionnelle selon la description précédente. a three-dimensional surface is dimensioned according to the preceding description.
La méthode d'optimisation du comportement aérodynamique d'un fluide en écoulement turbulent peut être utilisée dans le cas d'une conduite de transport d'un gaz ou d'un liquide, en particulier dans un gazoduc. The method for optimizing the aerodynamic behavior of a fluid in turbulent flow can be used in the case of a pipe for transporting a gas or a liquid, in particular in a gas pipeline.
L'invention concerne aussi une canalisation dans laquelle la paroi est revêtue d'une surface structurée selon la description ci-dessus. Description détaillée de l'invention Les paramètres permettant de caractériser la surface structurée tridimensionnelle selon The invention also relates to a pipe in which the wall is coated with a structured surface as described above. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The parameters making it possible to characterize the three-dimensional structured surface according to
l'invention sont les paramètres de hauteur et la largeur des structures (également appelées "riblets" dans la littérature) d'une part, et les paramètres relatifs à l'onde périodique transverse et à l'onde périodique méridienne, d'autre part. the invention are the height parameters and the width of the structures (also called "riblets" in the literature) on the one hand, and the parameters relating to the transverse periodic wave and the periodic wave meridian, on the other hand .
Définition des paramètres d'écoulement et des paramètres adimensionnels Les définitions suivantes sont valables dans les paragraphes qui suivent. La longueur de friction est définie par : avec P et p la viscosité et la densité du fluide. 3 0 1f ù P friction P La vitesse de friction est définie par la formule : Vfriction =V~C 8 avec V la vitesse moyenne du fluide. Le facteur de friction Cf est calculé d'après les équations de Blasius et Prandtl selon la valeur du nombre de Reynolds comme il est connu de l'ingénieur. 35 Par exemple pour Re=14000, le facteur de friction Cr =0.316 Re025 soit Cr = 0.029 La hauteur adimensionnelle de la structure bidimensionnelle ("riblets") est : h = h'! friction La largeur adimensionnelle de la structure bidimensionnelle ("riblets") est : s = s / l friction Où h : hauteur de la structure en un point de l'espace hO : hauteur moyenne (ou de référence) de la structure s : largeur de la structure en un point de l'espace sO : largeur moyenne (ou de référence) de la structure La période adimensionnelle d'une onde représente le temps mis par le fluide pour parcourir la longueur de l'onde à la vitesse débitante du fluide. La période adimensionnelle s'exprime relativement à la période T, la vitesse de friction Vfriction et la viscosité cinématique Nu : 15 V2 T+ =T friction v L'amplitude du déplacement adimensionnel est définie par : Z+ = zo friction Definition of flow parameters and dimensionless parameters The following definitions are valid in the following paragraphs. The length of friction is defined by: with P and p the viscosity and the density of the fluid. The friction speed is defined by the formula: V friction = V ~ C 8 with V the mean velocity of the fluid. The friction factor Cf is calculated from the Blasius and Prandtl equations according to the value of the Reynolds number as known to the engineer. For example for Re = 14000, the friction factor Cr = 0.316 Re025 is Cr = 0.029 The dimensionless height of the two-dimensional structure ("riblets") is: h = h '! friction The dimensionless width of the two-dimensional structure ("riblets") is: s = s / l friction Where h: height of the structure at a point in the space hO: mean height (or reference) of the structure s: width of the structure at a point in the space sO: average width (or reference) of the structure The adimensional period of a wave represents the time taken by the fluid to travel the length of the wave at the flow rate of the fluid . The adimensional period is expressed in relation to the period T, the friction velocity V friction and the kinematic viscosity Nu: 15 V 2 T + = T friction v The amplitude of the dimensionless displacement is defined by: Z + = zo friction
avec zo module de l'onde périodique. v La vitesse adimensionnelle maximum de l'onde est définie par : 20 W+ =Z+/T+ On définit : T+, : période adimensionnelle pour l'onde transversale T+m : période adimensionnelle pour l'onde méridienne 25 Alpha t : angle de l'onde transversale au point d'inflexion (cas d'une onde sinusoïdale) Alpha m : angle de l'onde méridienne au point d'inflexion (cas d'une onde sinusoïdale) Wt : amplitude de l'onde transversale W+r : amplitude adimensionnelle de l'onde transversale Wm : amplitude de l'onde méridienne 30 W+m : amplitude adimensionnelle de l'onde méridienne E = Z+/ T+3 : paramètre d'excitation Description des figures with zo modulus of the periodic wave. v The maximum adimensional speed of the wave is defined by: 20 W + = Z + / T + One defines: T +,: adimensional period for the transverse wave T + m: adimensional period for the meridian wave 25 Alpha t: angle of l transverse wave at the point of inflection (case of a sinusoidal wave) Alpha m: angle of the meridian wave at the point of inflection (case of a sinusoidal wave) Wt: amplitude of the transverse wave W + r: dimensionless amplitude of the transverse wave Wm: amplitude of the meridian wave 30 W + m: dimensionless amplitude of the meridian wave E = Z + / T + 3: excitation parameter Description of the figures
Les figures illustrent l'invention à titre non limitatif. The figures illustrate the invention without limitation.
La figure 1 représente un canal dans lequel s'écoule un fluide avec la direction de l'écoulement selon X (direction longitudinale) et les parois dans des plans (X, Z - direction transversale). Y désigne la direction normale. Z désigne la direction transverse. La figure 2 représente une vue en coupe des plans transverse et méridien, par rapport à la direction de l'écoulement. Figure 1 shows a channel in which flows a fluid with the direction of flow along X (longitudinal direction) and the walls in planes (X, Z - transverse direction). Y is the normal direction. Z designates the transverse direction. Figure 2 shows a sectional view of the transverse and meridian planes, with respect to the direction of flow.
La figure 3 représente une vue d'une forme structurée de base (bidimensionnelle) semisinusoïdale dans un plan transversal (Y - Vertical, Z - Horizontal). La figure 4 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans méridiens (X - Horizontal, Y - Vertical). La figure 5 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans parallèles aux parois (X -Horizontal, Z - Vertical). La figure 6 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans transversaux (Y - Vertical, Z - Horizontal) avec onde transversale. La figure 7 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans parallèles aux parois (X - Horizontal, Z - Vertical) avec onde transversale. La figure 8 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans transversaux (Y - Vertical, Z - Horizontal) avec onde méridienne et sans onde transversale. La figure 9 représente une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans méridiens (X - Horizontal, Y - Vertical) avec onde méridienne et sans onde transversale. Les figures 10 et 11 montrent l'évolution des structures selon la première (Figure 10 ) et la seconde période (Figure 11) de l'onde transverse, en représentant l'évolution d'une vue d'une forme structurée de base (bi - dimensionnelle) dans plusieurs plans transversaux (Y - Vertical, Z - Horizontal) avec combinaison d'ondes transversale et méridienne. La figure 12 représente le résultat de la translation hors de l'espace en trois dimensions, à savoir le changement géométrique des enveloppes supérieure et inférieure afin d'obtenir une surface structurée selon l'invention. 7 Surface structurée tridimensionnelle à ondes transverse et méridienne orthouonales La présente invention comprend au moins trois caractéristiques (Figure 1): une forme structurée de base bi dimensionnelle orientée dans la direction longitudinale X, une onde transversale parallèle à la paroi en contact avec l'écoulement et dont l'axe moyen se situe dans la direction de l'écoulement principal. Elle se situe dans un plan (X, Z), une onde méridienne perpendiculaire à la paroi et dont l'axe moyen se situe dans la direction de l'écoulement principal. Elle se situe dans un plan (X, Y). Sur la figure 2, le plan non grisé, parallèle aux parois contient l'onde transversale. Le plan grisé, perpendiculaire aux parois contient l'onde méridienne. Figure 3 shows a view of a semisinusoidal (two-dimensional) basic structured form in a transverse plane (Y - Vertical, Z - Horizontal). Figure 4 shows a view of a basic (two-dimensional) basic shape in several meridional planes (X - Horizontal, Y - Vertical). FIG. 5 shows a view of a basic (two-dimensional) basic shape in several planes parallel to the walls (X -Horizontal, Z-Vertical). Figure 6 shows a view of a basic (two-dimensional) basic shape in several transverse planes (Y - Vertical, Z - Horizontal) with a transverse wave. Figure 7 shows a view of a basic (two-dimensional) structural shape in several planes parallel to the walls (X - Horizontal, Z - Vertical) with transverse wave. Figure 8 shows a view of a basic (two-dimensional) structural shape in several transverse planes (Y - Vertical, Z - Horizontal) with meridian wave and without transverse wave. FIG. 9 represents a view of a basic (two-dimensional) structural shape in several meridional planes (X - Horizontal, Y - Vertical) with a meridian wave and without a transversal wave. FIGS. 10 and 11 show the evolution of the structures according to the first (FIG. 10) and the second period (FIG. 11) of the transverse wave, representing the evolution of a view of a basic structured form (FIG. - dimensional) in several transverse planes (Y - Vertical, Z - Horizontal) with combination of transverse and meridian waves. Figure 12 shows the result of translating out of space in three dimensions, namely the geometric change of the upper and lower envelopes to obtain a structured surface according to the invention. The present invention comprises at least three characteristics (FIG. 1): a two-dimensional base structured shape oriented in the longitudinal direction X, a transverse wave parallel to the wall in contact with the flow and whose average axis is in the direction of the main flow. It lies in a plane (X, Z), a meridian wave perpendicular to the wall and whose mean axis is in the direction of the main flow. It is in a plane (X, Y). In Figure 2, the ungreyed plane parallel to the walls contains the transverse wave. The gray plane perpendicular to the walls contains the meridian wave.
Forme structurée de base bidimensionnelle orientée dans la direction longitudinale X (Figures 3, 4, 5) Two-dimensional basic structured form oriented in the longitudinal direction X (Figures 3, 4, 5)
La coupe transversale de la forme de base se situe dans le plan (Y, Z). Cette forme de base bidimensionnelle peut être triangulaire, trapézoïdale, incurvée (semi circulaire, semi elliptique, semi sinusoïdale, en forme de "U"), en lame de couteau ou toute autre forme périodique concave. The cross section of the base shape is in the (Y, Z) plane. This two-dimensional base shape can be triangular, trapezoidal, curved (semi-circular, semi-elliptical, semi-sinusoidal, U-shaped), knife-shaped or any other concave periodic shape.
La hauteur, h0, et la largeur, s0 (distance entre deux crêtes) sont définies en fonction de la longueur de friction. La détermination de la hauteur est une fraction de la largeur dépendant de la forme transversale de la structure. Le mode de calcul de la largeur et de la hauteur est connu de l'homme du métier. The height, h0, and the width, s0 (distance between two peaks) are defined according to the length of friction. Height determination is a fraction of the width depending on the cross-sectional shape of the structure. The method of calculating the width and height is known to those skilled in the art.
Onde transversale dans un plan (X, Z) parallèle aux parois (Figures 6 et 7) 30 Lors de l'application d'une onde transversale, la forme transversale de la structure est conservée dans la direction de l'écoulement X. Les points C, D et E ne subissent pas de déplacement transversal (noeuds de l'onde) tandis que les points A et B subissent un déplacement transversal maximal de part et d'autre de la direction de l'écoulement 35 (ventres de l'onde). L'onde transversale est périodique. Elle peut être de type sinusoïdal, triangulaire, rectangulaire ou autre. Les figures 6 et 7 représentent le cas d'une onde sinusoïdale. Transverse wave in a plane (X, Z) parallel to the walls (FIGS. 6 and 7) When applying a transverse wave, the transverse shape of the structure is maintained in the direction of flow X. The points C, D and E do not undergo transverse displacement (nodes of the wave) while the points A and B undergo a maximum transverse displacement on either side of the direction of the flow 35 (bellows of the wave ). The transverse wave is periodic. It can be sinusoidal, triangular, rectangular or other type. Figures 6 and 7 show the case of a sinusoidal wave.
La période T+r de l'onde transversale est de préférence comprise entre 50 et 200. The period T + r of the transverse wave is preferably between 50 and 200.
Dans le cas d'une onde périodique non sinusoïdale, on pourra définir l'amplitude de l'onde à partir d'un paramètre d'excitation (E) qui sera compris préférentiellement entre 5 2.10-5 et 5.104 , très préférentiellement entre 3.5.10-5 et 3.104. In the case of a non-sinusoidal periodic wave, it will be possible to define the amplitude of the wave from an excitation parameter (E) which will be preferably comprised between 2.10-5 and 5.104, very preferentially between 3.5. 10-5 and 3.104.
Dans le cas d'une onde périodique sinusoïdale, on pourra définir l'amplitude de l'onde à partir de l'angle fait par l'onde au point d'inflexion par rapport à l'axe longitudinal. Dans le cas d'une onde périodique non sinusoïdale, on pourra définir l'amplitude de 10 l'onde à partir de l'angle moyen fait par l'onde entre les noeuds et les ventres de l'onde (par exemple, dans le cas d'une onde triangulaire isocèle, l'angle moyen est égal à l'angle à la base du triangle isocèle). L'angle (alpha t) de l'onde transverse est compris préférentiellement entre 7 et 20 degrés. 15 In the case of a periodic sinusoidal wave, we can define the amplitude of the wave from the angle made by the wave at the point of inflection with respect to the longitudinal axis. In the case of a non-sinusoidal periodic wave, it will be possible to define the amplitude of the wave from the mean angle made by the wave between the nodes and the bellies of the wave (for example, in the case of an isosceles triangular wave, the mean angle is equal to the angle at the base of the isosceles triangle). The angle (alpha t) of the transverse wave is preferably between 7 and 20 degrees. 15
Onde méridienne dans un plan (X, Y) perpendiculaire aux parois (Figures 8 et 9) Meridian wave in a plane (X, Y) perpendicular to the walls (Figures 8 and 9)
Lors de l'application d'une onde méridienne, la forme transversale de la structure est 20 sensiblement conservée dans la direction de l'écoulement X. Les points C, D et E subissent un déplacement vertical maximum en direction de la paroi (ventres de l'onde), les points A et B subissent un déplacement vertical maximum dans la direction opposée à la paroi (ventres de l'onde) tandis que les points à mi distance entre C, A, D, B et E ne subissent pas de déplacement (noeuds de l'onde). 25 L'onde méridienne est périodique. When applying a meridian wave, the transverse shape of the structure is substantially conserved in the direction of the flow X. The points C, D and E undergo a maximum vertical displacement in the direction of the wall. the wave), the points A and B undergo a maximum vertical displacement in the direction opposite to the wall (bellows of the wave) while the points at mid distance between C, A, D, B and E do not suffer from displacement (nodes of the wave). The meridian wave is periodic.
Elle peut être de type sinusoïdal, triangulaire, rectangulaire ou autre. 30 Elle peut être d'une nature différente de celle de l'onde transversale. It can be sinusoidal, triangular, rectangular or other type. It may be of a different nature from that of the transverse wave.
La période de l'onde méridienne est égale à sensiblement la moitié de la période de l'onde transversale. The period of the meridian wave is equal to substantially half of the period of the transverse wave.
35 Les deux ondes sont sensiblement en phase de telle façon qu'un déplacement vertical maximum (ventre de l'onde méridienne) dans la direction opposée à la paroi coïncide au mieux avec un déplacement transversal maximum (ventre de l'onde transversale). Les figures 8 et 9 représentent le cas d'une onde méridienne sinusoïdale. The two waves are substantially in phase such that a maximum vertical displacement (belly of the meridian wave) in the opposite direction to the wall coincides best with maximum transverse displacement (belly of the transverse wave). Figures 8 and 9 show the case of a sinusoidal meridian wave.
Dans le cas d'une onde sinusoïdale, on pourra définir l'amplitude de l'onde à partir de l'angle fait par l'onde au point d'inflexion. Dans le cas d'une onde périodique non sinusoïdale, on pourra définir l'amplitude de l'onde à partir de l'angle moyen fait par l'onde entre les noeuds et les ventres de l'onde (dans le cas d'une onde triangulaire isocèle, l'angle moyen est égal à l'angle à la base du triangle isocèle). In the case of a sinusoidal wave, we can define the amplitude of the wave from the angle made by the wave at the point of inflection. In the case of a non-sinusoidal periodic wave, we can define the amplitude of the wave from the average angle made by the wave between the nodes and the bellies of the wave (in the case of a isosceles triangular wave, the average angle is equal to the angle at the base of the isosceles triangle).
L'angle (alpha m) de l'onde méridienne est compris préférentiellement entre 5 et 25 degrés. The angle (alpha m) of the meridian wave is preferably between 5 and 25 degrees.
Forme structurée de base bi dimensionnelle avec ondes transversale et méridienne Les figures 10 et 11 décrivent la combinaison d'une surface structurée bidimensionnelle de base avec deux formes d'ondes orthogonales : méridienne et transverse. Two-dimensional basic structured form with transverse waves and meridian Figures 10 and 11 describe the combination of a basic two-dimensional structured surface with two orthogonal waveforms: meridian and transverse.
Modes de réalisation particuliers La forme structurée tri dimensionnelle composée d'une forme bi - dimensionnelle et de deux ondes latérales sensiblement orthogonales (transversale et méridienne) peut comporter des formes s'approchant de la forme décrite ci-dessus avec quelques modifications sans sortir du cadre de la présente invention. Particular embodiments The three-dimensional structured form composed of a two-dimensional form and two substantially orthogonal lateral waves (transverse and meridian) may comprise shapes approaching the form described above with some modifications without departing from the scope of the present invention.
L'onde transversale est avantageusement rigoureusement parallèle à la paroi tandis que la forme méridienne est rigoureusement perpendiculaire à cette paroi, les deux ondes restant parallèles à la direction principale de l'écoulement. The transverse wave is advantageously rigorously parallel to the wall while the meridian form is strictly perpendicular to this wall, the two waves remaining parallel to the main direction of the flow.
Différents modes de réalisation peuvent être envisagés : Different embodiments can be envisaged:
Par exemple, avec des axes moyens se situant dans la direction de l'écoulement principal: a) l'onde transversale présente un léger angle avec la paroi (entre -10° et +10°), l'onde méridienne restant rigoureusement perpendiculaire avec cette paroi; b) l'onde transversale reste rigoureusement parallèle avec la paroi, l'onde méridienne présentant un angle légèrement différent de 90° par rapport à la paroi (de préférence une variation maximale de l'ordre de 10 %, soit un angle compris préférentiellement entre 81 et 99°); c) l'onde transversale présente un léger angle avec la paroi, l'onde méridienne présentant également un angle légèrement différent de 90° (de préférence variation maximale de l'ordre de 10%, soit un angle compris préférentiellement entre 81 et 99°) par rapport à la paroi, les deux ondes restant sensiblement orthogonales entre elles. For example, with average axes in the direction of the main flow: a) the transverse wave has a slight angle to the wall (between -10 ° and + 10 °), the meridian wave remaining rigorously perpendicular with this wall; b) the transverse wave remains strictly parallel with the wall, the meridian wave having a slightly different angle of 90 ° with respect to the wall (preferably a maximum variation of the order of 10%, ie an angle preferably comprised between 81 and 99 °); c) the transverse wave has a slight angle with the wall, the meridian wave also having a slightly different angle of 90 ° (preferably maximum variation of the order of 10%, ie an angle preferably between 81 and 99 ° ) relative to the wall, the two waves remaining substantially orthogonal to each other.
Les plans d'onde peuvent également faire des angles comme il est décrit dans l'alinéa c) ci-dessus et n'être pas exactement parallèles à la direction principale de l'écoulement. Waveplanes may also make angles as described in paragraph (c) above and may not be exactly parallel to the main direction of flow.
La largeur des structures considérée comme constante dans la description de l'invention peut être modulée dans la direction de l'écoulement (avec une variation de l'ordre de 10% en plus ou en moins), un rétrécissement au niveau d'une rainure étant compensé par un élargissement au niveau d'une rainure adjacente et réciproquement. La largeur des structures peut varier dans la direction transversale d'une rainure adjacente à une autre (avec une variation de l'ordre de 10% en plus ou en moins), leur largeur ne variant pas dans la direction de l'écoulement. La largeur peut être modulée dans la direction transversale de façon périodique, de façon à atténuer des fluctuations d'écoulement non atténuées par la forme de base. La largeur des structures peut varier à la fois dans la direction de l'écoulement comme dans la direction transversale. The width of the structures considered constant in the description of the invention can be modulated in the direction of the flow (with a variation of the order of 10% more or less), a narrowing at a groove being compensated for by widening at an adjacent groove and vice versa. The width of the structures may vary in the transverse direction of one groove adjacent to another (with a variation of the order of 10% more or less), their width does not vary in the direction of flow. The width can be modulated in the transverse direction periodically, so as to attenuate flow fluctuations not attenuated by the basic form. The width of the structures may vary both in the direction of flow and in the transverse direction.
La période de l'onde méridienne peut être très légèrement plus grande ou plus petite que la moitié de la période de l'onde transversale. Cette très légère différence de période (de l'ordre de 10% au maximum) conduit à un effet Doppler pouvant être utilisé pour la stabilisation de perturbations de plus basse fréquence. The period of the meridian wave may be very slightly larger or smaller than half of the period of the transverse wave. This very slight period difference (of the order of 10% maximum) leads to a Doppler effect that can be used for the stabilization of lower frequency disturbances.
L'onde transversale peut être constituée d'un assemblage d'ondes comportant l'onde de base décrite ci-dessus ainsi que des -sur ou sous-harmoniques de façon à stabiliser des perturbations d'écoulement de plus basse ou de plus haute fréquence que celle correspondant à l'onde transversale de base. The transverse wave may consist of a wave assembly comprising the basic wave described above as well as -sur or subharmonic so as to stabilize lower or higher frequency flow disturbances. than that corresponding to the basic transverse wave.
De la même façon, l'onde méridienne peut être constituée d'un assemblage d'ondes comportant l'onde de base décrite ci-dessus ainsi que des -sur ou sous- harmoniques de façon à stabiliser des perturbations d'écoulement de plus basse ou de plus haute fréquence que celle correspondant à l'onde méridienne de base. Les ondes transversale et méridienne peuvent être constituées conjointement d'un assemblage d'ondes -sur ou sous-harmoniques des ondes de base. In the same way, the meridian wave may consist of a wave assembly comprising the basic wave described above as well as -sur or sub-harmonics so as to stabilize lower flow disturbances. or higher frequency than that corresponding to the basic meridian wave. The transverse and meridian waves may be jointly constituted by an assembly of waves -on or sub-harmonics of the base waves.
Les fréquences des ondes transversale et méridienne peuvent être modulées en fréquence, avec des variations maximales de l'ordre de 10%, exceptionnellement jusqu'à 30%. Ces modulations de fréquence peuvent être similaires ou différentes pour les deux ondes. The frequencies of the transverse and meridian waves can be modulated in frequency, with maximum variations of the order of 10%, exceptionally up to 30%. These frequency modulations may be similar or different for the two waves.
Dans le cas de base, les ondes transversale et méridienne sont en phase avec coïncidence des noeuds et des ventres. Sans sortir du cadre de l'invention, les ondes peuvent être très légèrement déphasées, avec un déphasage maximal de l'ordre de 10%, exceptionnellement jusqu'à 30%, le déphasage pouvant être modulé sous différentes formes. In the basic case, the transverse and meridian waves are in phase with coincidence of the nodes and the bellies. Without departing from the scope of the invention, the waves can be very slightly out of phase, with a maximum phase shift of the order of 10%, exceptionally up to 30%, the phase shift being able to be modulated in different forms.
Fabrication d'une surface structurée avec deux ondes orthogonales Une surface structurée avec deux ondes orthogonales est d'une forme plus complexe qu'une surface structurée avec seulement une onde transversale, elle même, plus complexe qu'une forme structurée strictement bi -dimensionnelle. Une forme structurée bi - dimensionnelle peut être fabriquée de diverses façons : optique, mécanique, chimique ou autres moyens et d'autant plus facilement que la dimension de base est importante. La dimension de base varie de quelques dizaines microns (transport de gaz dans un gazoduc à haute pression et grande vitesse) à quelques centaines de microns (transport d'eau ou d'un liquide peu visqueux) voire à quelques millimètres (transport d'un liquide visqueux). Une forme structurée bi - dimensionnelle avec onde transversale peut également être fabriquée selon les méthodes décrites ci-dessus pour deux raisons principales : a) les enveloppes supérieure et inférieure de la surface structurée sont parallèles à la paroi (planes, s'il s'agit d'une plaque plane ou cylindriques s'il s'agit d'un tube) ; b) les dimensions de l'onde transversale sont d'un ordre de grandeur supérieur à celles d'une structure bi - dimensionnelle. Une forme structurée bi - dimensionnelle avec deux ondes orthogonales peut être fabriquée selon les méthodes décrites ci-dessus mais avec plus de difficulté que les précédentes, l'enveloppe supérieure de la surface structurée n'étant plus parallèle à la paroi du canal (figures 10 et 11). A cet effet, on peut procéder à un changement géométrique qui ne modifie pas les actions de la surface structurée sur la turbulence. On considère le cas de base comprenant une structure bi dimensionnelle se superposant à deux ondes orthogonales, périodiques et synchrones (même fréquence et même phase). Le changement géométrique consiste, dans un plan (Z0, Y0), à translater tous les points de la surface d'une longueur égale à la hauteur maximum de la structure dans ce plan, dans la direction normale à la paroi et de l'enveloppe supérieure vers l'enveloppe inférieure. Avant translation (figure 10), les enveloppes supérieure et inférieure sont, respectivement, gauche et plane (parallèle à la paroi du canal). Après translation (figure 12), les enveloppes supérieure et inférieure sont, respectivement, plane (parallèle à la paroi) et gauche. La nouvelle forme structurée permet toute action de lissage, rectification, polissage, rodage ou lustrage sur la surface à structurer préalablement à sa structuration. Cette forme permet également toutes les actions mécaniques décrites ci-dessus après structuration pour l'élimination de matière en excès sur l'enveloppe supérieure. Réduction de la traînée par l'utilisation d'une surface structurée bi - dimensionnelle avec deux ondes orthogonales Fabrication of a structured surface with two orthogonal waves A structured surface with two orthogonal waves is of a more complex shape than a structured surface with only a transverse wave, itself more complex than a strictly bi-dimensional structured form. A two - dimensional structured form can be manufactured in various ways: optical, mechanical, chemical or other means and all the more easily as the basic dimension is important. The basic dimension varies from a few tens of microns (transport of gas in a high-pressure and high-speed gas pipeline) to a few hundred microns (transport of water or a low-viscosity liquid) or even a few millimeters (transport of a viscous liquid). A two - dimensional cross - sectional structured form may also be fabricated according to the methods described above for two main reasons: a) the top and bottom envelopes of the structured surface are parallel to the wall (flat, if a flat plate or cylindrical if it is a tube); b) the dimensions of the transverse wave are of an order of magnitude greater than those of a two - dimensional structure. A two-dimensional structured form with two orthogonal waves can be made according to the methods described above but with more difficulty than the previous ones, the upper envelope of the structured surface no longer being parallel to the channel wall (FIGS. and 11). For this purpose, a geometrical change can be made which does not modify the actions of the structured surface on the turbulence. We consider the basic case comprising a two-dimensional structure superimposed on two orthogonal waves, periodic and synchronous (same frequency and same phase). The geometric change consists, in a plane (Z0, Y0), in translating all the points of the surface of a length equal to the maximum height of the structure in this plane, in the direction normal to the wall and the envelope upper to the lower envelope. Before translation (FIG. 10), the upper and lower envelopes are, respectively, left and flat (parallel to the wall of the channel). After translation (FIG. 12), the upper and lower envelopes are, respectively, plane (parallel to the wall) and left. The new structured form allows any action of smoothing, grinding, polishing, lapping or polishing on the surface to be structured prior to its structuring. This form also allows all the mechanical actions described above after structuring for the removal of excess material on the upper envelope. Drag reduction through the use of a two-dimensional structured surface with two orthogonal waves
10 La forme de base bi - dimensionnelle réduit essentiellement la composante transversale des fluctuations turbulentes au niveau de la sous couche turbulente. L'augmentation des pertes visqueuses résultant de l'augmentation de la surface de contact est largement inférieure à la diminution des pertes relatives aux fluctuations turbulentes. Il s'agit là d'une phénoménologie bien connue de l'homme du métier. 15 Sans vouloir être lié par une quelconque théorie, il semblerait que l'onde transversale stabilise les structures turbulentes contre rotatives, orientées et se déplaçant dans la direction de l'écoulement ("streamwise vortices") en les allongeant et réduisant leur diamètre moyen (approche statistique). Cette phénoménologie comporte de nombreuses 20 similitudes avec celle d'un tube dans lequel circule un fluide mis en oscillation autour de son axe de symétrie ou encore d'une plaque mise en oscillation transversalement à l'écoulement principal. L'onde méridienne permet une réduction accrue des fluctuations turbulentes là où l'onde transversale est la plus active (ventre de l'onde) au détriment d'une légère (moindre) 25 accentuation des pertes visqueuses. Elle permet, par ailleurs, une diminution des pertes visqueuses là où l'onde transversale est la moins active (point d'inflexion - noeud de l'onde) au détriment d'une plus faible (moindre) atténuation des fluctuations turbulentes. The two-dimensional basic form essentially reduces the transverse component of the turbulent fluctuations at the turbulent sub-layer. The increase in viscous losses resulting from the increase of the contact surface is much lower than the decrease of the losses relative to the turbulent fluctuations. This is a phenomenology well known to those skilled in the art. While not wishing to be bound by any theory, it would appear that the transverse wave stabilizes turbulent, counter-rotating, oriented and moving structures in the flowwise direction ("streamwise vortices") by lengthening them and reducing their average diameter ( statistical approach). This phenomenology has many similarities with that of a tube in which a fluid oscillates about its axis of symmetry or a plate oscillated transversely to the main flow. The meridian wave allows an increased reduction of turbulent fluctuations where the transverse wave is the most active (belly of the wave) to the detriment of a slight (lesser) increase in viscous losses. It also allows a reduction in viscous losses where the transverse wave is the least active (point of inflection - wave node) to the detriment of a lower (lesser) attenuation of turbulent fluctuations.
De façon à ce que l'onde méridienne agisse sur l'onde transversale comme il est décrit 30 ci-dessus, la période de l'onde méridienne doit être sensiblement égale à la moitié de la période de l'onde transversale, les deux ondes étant sensiblement orthogonales entre elles et sensiblement en phase.5 In order for the meridian wave to act on the transverse wave as described above, the period of the meridian wave must be substantially equal to half the period of the transverse wave, the two waves being substantially orthogonal to each other and substantially in phase.
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