DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

Le sujet de cette invention est un dispositif et un procédé de création d'un ressaut hydraulique ; ou encore, de façon plus générale, de création d'un ressaut de fluide, puisque le phénomène de ressaut n'est pas limité aux liquides et peut être appliqué aussi à des gaz lourds dans une atmosphère plus légère. Le dispositif pourrait alors être à usage décoratif comme des simulations de vagues ou scientifique pour réaliser certaines expériences. On peut citer des fontaines et des piscines comme applications concrètes.

Un ressaut hydraulique est une variation brusque de niveau de la surface libre d'un liquide (voire d'un gaz) . Il correspond à une transition brusque d'un régime d'écoulement à grande vitesse à un régime sous-critique.

EXPOSE GENERAL DE L'INVENTION

L'invention permet de créer un tel ressaut avec un dispositif très simple.

Des objets particuliers de l'invention sont la maîtrise des paramètres qui permettent de régler les caractéristiques du ressaut, ainsi que des moyens particuliers concourant à des réalisations favorables du dispositif. Le phénomène de ressaut hydraulique est déjà connu, mais les conditions où il est produit consistent en général à laisser s'écouler un filet liquide d'une hauteur suffisante sur une surface horizontale : on observe alors une élévation du niveau du liquide à un rayon déterminé du point de chute du liquide. De tels dispositifs et procédés semblent praticables seulement à très petite échelle, faute de quoi le débit et la hauteur de chute, nécessaires pour produire une charge suffisante dans le liquide ou un ressaut de dimensions notables, devraient être tout à fait excessifs. Ils ne se prêtent pas non plus à un ajustement des paramètres du ressaut.

Il faut ajouter que des ressauts non circulaires, polygonaux ou en lobes par exemple, de quelques centimètres de diamètre, ont aussi été obtenus en soumettant l'écoulement à des conditions particulières, notamment en le laissant d'abord couler dans un tuyau dont l'extrémité inférieure était une buse : la forme du ressaut dépendait du diamètre d'ajutage de la buse. Il était toutefois constaté que ces formes étaient souvent instables, et qu'elles dépendaient aussi de la tension de surface du liquide, qui limite ces phénomènes aux installations de taille centimétrique . Il est par ailleurs manifeste que de tels dispositifs à buse ne se prêtent pas facilement à des réglages des conditions de l'écoulement et des paramètres du ressaut.

Il est aussi connu que des ressauts hydrauliques apparaissent à la jonction d'écoulements torrentiels et d'écoulements fluviaux dans la nature ou en aval de barrages. Les ressauts observés alors sont normalement turbulents, instables, de forme irrégulière, et particulièrement riches en bulles d'air : ils n'ont donc pas de valeur décorative et ne se prêtent qu'exceptionnellement à des applications de loisirs, comme le surf sur les mascarets lors des grandes marées. Le réglage de leurs paramètres n'est encore guère concevable.

Certaines installations de l'art antérieur permettant aussi de créer un ressaut hydraulique (US-A- 5 044 554, WO-A-2004/076 779 ou WO-A-93/15801 ) , mais avec des écoulements divergents ou linéaires comme précédemment. Il apparaît que les caractéristiques du ressaut sont alors difficiles à régler ou modifier.

L'utilisation de l'invention permettra par contre d'obtenir facilement des ressauts hydrauliques ayant des caractéristiques désirées de forme, de dimensions et de stabilité, et de régler facilement ces caractéristiques de manière notamment à changer leur forme, en passant d'une forme régulière, circulaire par exemple, à irrégulière, polygonale par exemple, ou vice-versa, et d'un ressaut stable à un ressaut instable ou vice-versa.

Sous une forme générale, l'invention concerne un dispositif de création d'un ressaut hydraulique, comprenant une surface de fond pouvant- être occupée par un fluide en circulation, la surface de fond s 'étendant entre une région d'entrée du fluide et une région de sortie du fluide et s 'abaissant de la région d'entrée à la région de sortie, et comprenant encore un muret joint à la surface de fond au niveau de la région de sortie du fluide s 'étendant au-dessus de la surface de fond et pourvu d'un bord supérieur de débordement du fluide, et un élément d'évacuation du fluide séparé de la surface de fond par le muret ; le dispositif peut être, entre autres applications, une fontaine ou une piscine ; lorsque la surface de fond est occupée par un fluide en circulation, le ressaut se produit notamment entre la région d'entrée et la région de sortie. Selon les circonstances, le ressaut peut être stable (immobile dans le dispositif) ou non. Dans le cas où il est instable, sa position est généralement oscillante ou périodique dans le dispositif.

Une caractéristique essentielle de l'invention est que le dispositif permet l'établissement d'une circulation convergente du fluide, de la région d'entrée, vers la région de sortie .

Seul un dispositif convergent permet d'animer le ressaut hydraulique en le rendant mobile ou instable dans l'étendue du dispositif au moyen d'un mouvement oscillatoire. L'originalité de l'invention est fondée sur la capacité à maîtriser le caractère stable ou oscillatoire des mouvements non axisymétriques du ressaut et la fréquence des oscillations par un choix approprié de la forme de la surface d'écoulement et par le choix du débit. Il faut souligner que l'oscillation du ressaut ne provient pas d'oscillations du débit lui-même, mais d'un phénomène d'instabilité non radial, qui ne se déclenche que dans un écoulement convergent à débit constant. Le ressaut perd naturellement sa forme circulaire au profit de formes échancrées, comme on en représentera et dont un exemple est une forme en coeur tournant de façon cyclique. L'instabilité du ressaut est évidemment précieuse pour certaines activités, par exemple certaines activités de loisirs comme la pratique du surf. L'écoulement convergent représente donc beaucoup plus qu'une variante de réalisation d'installations existantes à écoulement divergent ou linéaire.

Dans une situation fréquente, le dispositif est annulaire, la région de sortie du fluide étant entourée par la région d'entrée, toutes deux circulaires : le ressaut est alors une ligne circulaire. Cette définition ne doit pourtant pas être entendue trop strictement, puisque des régions en cercles irréguliers, elliptiques par exemple, donnent des résultats analogues, de même que les régions qui ne sont pas fermées mais s 'étendant seulement sur des portions de cercles par exemple : la caractéristique qu'il est souhaitable d'instaurer est un écoulement convergent favorisant la création d'un ressaut de hauteur notable sur une région de largeur petite ou beaucoup plus petite que la largeur de la région d'entrée du fluide, avec des facultés de régler plus facilement les caractéristiques du ressaut.

La fonction de la région d'entrée est de fournir le fluide à un débit et une vitesse suffisantes. Cette vitesse peut être acquise par gravité quand la région d'entrée est formée par un second muret, joint à la surface de fond, s 'étendant au-dessus de la surface de fond et pourvu d'un bord supérieur de débordement du fluide, et un élément d'introduction du fluide séparé de la surface de fond par le second muret .

La région d'entrée peut aussi être produite par une fente s 'étendant au-dessus de la surface de fond, mais éventuellement à une faible altitude, et l'énergie du fluide est alors acquise par une restriction de l'écoulement sous pression à travers la fente .

Un des moyens de réglage des caractéristiques de l'écoulement, afin de régler celles du ressaut, peut alors consister en ce qu'une plaque supérieure délimite la fente en formant une limite supérieure de la fente, le dispositif comprenant encore des moyens de réglage de hauteur de la plaque supérieure et d'épaisseur de la fente.

La surface de fond aura souvent une pente croissante de la région d'entrée du fluide à la région de sortie du fluide, par exemple une fonction hyperbolique de hauteur en fonction d'une position entre la région d'entrée du fluide et la région de sortie du fluide.

Le dispositif peut fonctionner en circuit fermé, comprenant une pompe et s 'étendant entre la région de sortie du liquide et la région d'entrée du liquide. La pompe sera alors avantageusement réglable afin d'ajuster le débit du liquide.

Dans le cas fréquent d'un dispositif de grande largeur, où le ressaut s'étendra sur une longueur importante, on cherchera souvent à égaliser le débit d'écoulement sur une ligne régulière à distance constante entre la région d'entrée et la région de sortie du fluide. Or le circuit fermé sera en général composé de canalisations débouchant à des emplacements discrets de la région d'entrée du fluide ; mais l'écoulement pourra néanmoins être uniformisé au moyen d'un lit de répartition du débit construit en matière poreuse devant lequel les canalisations déboucheront.

Dans d'autres circonstances, un ressaut de forme irrégulière sera recherché. Un moyen de le réaliser consistera alors à disposer des obstacles de façon discrète en certains endroits de la direction de la largeur du dispositif de manière à intercepter des portions séparées de l'écoulement du fluide et à créer donc des irrégularités de l'écoulement.

Dans certains cas, on cherchera à donner au fluide injecté une composante de vitesse transversale, par exemple afin d'induire un mouvement de rotation si l'injection est annulaire. Des gouvernails de guidage constitués de plaquettes verticales, disposés tout au long de la région d'entrée, pourront être orientés afin de régler spatialement et temporairement la direction du fluide injecté.

Des obstacles particuliers consisteront en des variations de hauteur de la plaque supérieure dans le cas où la région d'entrée du fluide est une fente : la plaque supérieure sera alors souple, et les moyens de réglage de sa hauteur comprendront une pluralité de moyens distincts qui seront réglables indépendamment.

D'autres façons de régler les caractéristiques du ressaut consisteront à construire le dispositif en parties séparées mutuellement mobiles : c'est ainsi que le muret pourra être mobile verticalement par rapport à la surface de fond, et de façon analogue, la région d'entrée du fluide pourra appartenir à une pièce mobile verticalement par rapport à la surface de fond, afin de régler sa hauteur.

L'invention est encore relative à un procédé de création d'un ressaut hydraulique, consistant à verser un fluide sur une partie supérieure d'une surface inclinée, à un débit supérieur à un seuil, à créer un écoulement sur la surface inclinée, et à créer une rétention d'un volume du fluide à une partie inférieure de la surface inclinée. L'écoulement est convergent sur la surface inclinée, dont la partie supérieure est plus large que la partie inférieure.

Le ressaut peut être stationnaire ou instable, comme on l'a déjà mentionné. Dans ce dernier cas, avec une surface inclinée annulaire, le ressaut peut consister en une ligne fermée, excentrée par rapport à la surface inclinée, et tournante.

D'autres aspects détails et caractéristiques de l'invention seront maintenant décrits en liaison aux figures, qui sont données à titre illustratif, afin de représenter complètement certaines réalisations possibles de l'invention. LISTE DES FIGURES

Les figures 1 et 2 représentent une première réalisation de l'invention en coupe diamétrale et vue de dessus ; les figures 3 et 4 représentent deux formes possibles de ressaut ; les figures 5, 6, 7, 8 et 9 représentent une deuxième réalisation de l'invention, avec deux variantes ; la figure 10 illustre une application particulière de l'invention ; la figure 11 illustre un autre mode de réalisation de l'invention ; et les figures 12, 13 et 14 illustrent des dispositifs d'infléchissement de l'écoulement.

DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION PREFERES

Un premier mode de réalisation est représenté à la figure 1. Le dispositif est vu en coupe diamétrale et sa forme est circulaire. Il est composé de quatre éléments principaux, à savoir un liquide, un élément d'entrée du liquide, une surface d'écoulement du liquide et un élément d'évacuation du liquide. Des éléments optionnels sont un réservoir du liquide, un circuit de distribution du liquide, et une pompe. Le liquide s'écoule de l'élément d'injection à l'élément d'évacuation sur la surface d'écoulement en formant un ressaut (1), c'est-à-dire une élévation brusque du niveau de la surface libre (2) .

L'élément d'entrée (3) comprend un fond (4), des parois (5 et 6) concentriques, et une plaque supérieure (7) qui délimitent une tranchée (8) circulaire occupée par le liquide. La plaque supérieure (7) est fixée à la paroi extérieure (5) de façon étanche par un joint de silicone (9) . Elle s'étend un peu au-dessus de la paroi intérieure (6) en formant une fente (10) circulaire. Elle est déformable et peut être pressée vers le bas par la rotation d'un certain nombre de tiges filetées (11) retenues dans des écrous prisonniers de potences (12) suspendues à des tiges filetées (13) encastrées dans la paroi extérieure (5) . Le pressage de la plaque supérieure (7) produit une diminution d'épaisseur de la fente (10) et, à débit égal du liquide, une augmentation de sa vitesse. Le fond de la tranchée (8) comprend, étalés sur une grille (14), un lit inférieur (15) de billes d'argile et un lit supérieur (16) de gravier, qui servent à répartir le débit de fluide sur le pourtour de la fente (10) . Le circuit de distribution (17) comprend en effet un premier tuyau (18) originaire du réservoir (19) et aboutissant à la pompe (20), et des tuyaux de distribution (21) partant de la pompe (20) et aboutissant à des nez de robinet (22) répartis à travers la plaque de fond (4) mais en trop petit nombre pour fournir un écoulement suffisamment uniforme à travers la fente (10) sans passer par les lits (15 et 16) en matière poreuse.

La surface d'écoulement (23) s'abaisse à partir de la fente (10) jusqu'à l'élément d'évacuation 524) du liquide, qui consiste en un tube (25) disposé à travers un trou central de la surface d'écoulement (23) et qui est situé au-dessus du réservoir (19), qui est ouvert. Le tube (25) est joint à la surface d'écoulement (23) en s'élevant au-dessus d'elle et forme donc un muret (26) circulaire créant un volume de rétention (27) de l'écoulement convergent. Le liquide coule donc sur la surface d'écoulement (23) d'une région d'entrée (la fente 10) à une région de sortie (le bord supérieur 28) qui sont concentriques, s'accumule dans le volume de rétention (27), et l'antagonisme entre le liquide coulant et le liquide retenu est la cause du ressaut (1) ; puis le liquide quitte la surface d'écoulement (23) en débordant du bord supérieur (28) du tube (26) et en tombant dans le tube (26) puis dans le réservoir (19), où il est recyclé par le circuit de distribution (17) .

La figure 2 est une vue de dessus du dispositif, qui montre le caractère circulaire ou annulaire des principaux éléments. Les moyens de pressage, comprenant les tiges filetées (11), de la plaque supérieure (7) sont toutefois discrets, au nombre de seize dans cette réalisation.

A l'exception d'une portion plane (29) extérieure se raccordant en haut de la cloison intérieure (6) et délimitant la fente (10), la surface d'écoulement (23) a une forme hyperbolique dont la hauteur Z est inversement proportionnelle au rayon R à une constante près (Z = A-B/R) .

Les caractéristiques du ressaut dépendent des caractéristiques géométriques du dispositif et de l'écoulement, notamment du débit. Si on appelle H la profondeur de l'écoulement à un rayon R déterminé, la vitesse des vagues dont la longueur d'onde est grande par rapport à la profondeur s'exprime par

C = fciiH) ,

où g est la constante de gravité, le débit par

Q = InRHu

où v est la vitesse de l'écoulement du liquide

et le nombre de Froude est égal à

Fr = I v I /c . L'apparition du ressaut (1) hydraulique nécessite que le liquide injecté atteigne une vitesse supérieure à celle des vagues, ou que le nombre de Froude soit supérieur à 1. La hauteur du ressaut est définie par les hauteurs Hl et H2 de part et d'autre du ressaut, par la formule

H ₂ _ (1 + 8^ ² ) ² - 1 où Fr i est le nombre de froude à l'endoit ressaut. La profondeur Ηχ peut s'écrire

Q

H,

2^Rj(gH _pot y où H. (hauteur de chute libre correspondant vitesse locale) et Rj est le rayon du ressaut (1) . La période caractéristique des oscillations du ressaut instable (1) peut être approchée par

^R j ^{~ r} ou,

adv où r _out est le rayon extérieur de la surface d'écoulement (23), à l'endroit de la fente ( 10 ) , et v ₂ est la vitesse du liquide en aval du ressaut ( 1 ) , soit encore

R:

' adv

H,

Le débit Q doit être supérieur à Le comportement du ressaut (1) change d'après la valeur du nombre de Froude Fr et peut être choisi selon les caractéristiques souhaitées :

- de 1,7 à 2,5, le ressaut est faible et laminaire ;

- de 2,5 à 4,5, il est transitoire et génère de petites vagues ;

- de 4,5 à 9, il est équilibré et stationnaire ; - au-dessus de 9, il est irrégulier et génère des vagues, éclaboussures et bulles.

Les formules approchées suivantes pourront aussi être utilisées :

Q

3 _

R ² H ⁴

adv ^ 1 '

En termes de vitesse, avec le critère Fr>l dans le champ de gravité terrestre, on peut observer le ressaut hydraulique (1) pour un débit de fluide satisfaisant à la relation v ² /h>10m/s ² à l'injection, où v représente donc la vitesse du liquide à travers la fente (10) et h la hauteur de celle-ci. On a aussi observé que le diamètre du ressaut hydraulique (1) est d'autant plus grand que la hauteur du muret (26) est importante. De façon analogue, une surface d'écoulement (23) très creusée vers le centre, ayant donc un volume de rétention (27) important, conduit à un temps d'oscillation plus long du ressaut (1) qu'une surface presque plane. Les écoulements convergents ont donc l'avantage de donner cette plus grande stabilité avec un volume de rétention (27) réduit, puisque s 'étendant sur un cercle plus petit qu'avec d'autres écoulements.

Quand le ressaut (1) n'est pas stationnaire, au-delà d'une valeur critique du débit, il prend dans ce mode de réalisation l'aspect (figure 3) d'une ligne continue sensiblement circulaire mais excentrée de l'axe du dispositif et qui se déplace en tournant dans la direction angulaire de la surface d'écoulement (23), de sorte que chaque endroit de celle-ci voit régulièrement passer le ressaut (1) en montant et en descendant, sauf aux rayons extrêmes. Il est aussi possible (figure 4) de créer des ressauts (1) non circulaires, en modifiant les caractéristiques de l'écoulement par des obstacles locaux qui rompent son uniformité : si par exemple la plaque supérieure (7) possède une souplesse, la fente (10) peut être plus étroite sous les tiges filetées (11) qu'entre elles, ce qui produit des variations du rayon du ressaut (1) et un motif en étoile.

Un autre mode de réalisation sera maintenant décrit au moyen des figures 5 à 9. Il comprend deux calottes emboîtées l'une dans l'autre, de forme à peu près hémisphérique avec une concavité orientée vers le bas. Une calotte externe (30) repose sur un socle (31) . Une calotte interne (32) renferme le réservoir, maintenant (33), et soutient le dispositif d'écoulement (34) et l'élément d'évacuation du liquide (35) . Une pompe (36) est disposée dans le réservoir (33) et refoule le liquide qui y est tombé dans le volume circulaire (37) intermédiaire aux calottes (30 et 32), où il s'élève.

Le sommet de la calotte interne (32) est joint à un rebord (38) qui forme l'élément d'entrée de fluide et qui s'étend au-dessus de la surface d'écoulement (34) . Le liquide en excès déborde du rebord (38) et atteint la surface d'écoulement (34) avec une vitesse qui dépend de la hauteur de surplomb du rebord (38) . Les caractéristiques de l'écoulement et du ressaut (1) sur la surface d'écoulement (34) sont inchangées et dépendent des mêmes paramètres que dans le mode de réalisation précédent. Un avantage du mode présent est qu'il est simple de forme et de construction. Un autre avantage est que la hauteur du rebord (38) par rapport à la surface d'écoulement (34), et donc la vitesse d'arrivée du liquide peut être réglée. Dans la réalisation des figures 6 et 7, où les calottes (30 et 32) sont à des positions invariables garanties par des espaceurs (39), le rebord (38) est vissé à l'extérieur de la calotte interne (32) et des moteurs (40) règlent la hauteur du rebord (38) en agissant sur des crémaillères verticales (41) établies sur la surface interne du rebord (38), au-dessous de la surface d'écoulement (34), par des pignons d'entraînement non représentés ; des joints (60) et (61) sont disposés à l'extérieur de la surface d'écoulement (34) en face du rebord (38) et frottant sur lui, et autour de transmission (62) disposées à la sortie des moteurs (40) et à travers la calotte interne (32), ce qui élève ou abaisse le rebord (38) entre les états des figures 6 et 7. Dans le mode de réalisation des figures 8 et 9, des espaceurs (42) relient le rebord (38) à la calotte externe (30), et c'est la hauteur de la calotte interne (32) qui varie sous la rotation du moteur (40) . Le même effet de variation de hauteur du rebord (38) par rapport à la surface d'écoulement (34) est obtenu.

La figure 10 représente l'application possible de l'invention à une piscine creusée entièrement dans le sol. La surface d'écoulement (43), en entonnoir, est entourée par une fosse circulaire (44) où l'eau est recyclée à partir de conduits (45) munis de pompes et rayonnant à partir d'un puits central (47) qui correspond à l'élément d'évacuation de liquide et à peu de distance duquel la surface d'écoulement (43) s'arrête. Les conduits (45) débouchent dans la fosse circulaire (44), et l'eau recyclée s'y élève jusqu'à déborder et couler dans la surface d'écoulement (43) comme précédemment. Une plate-forme (48) centrale couvre le puits (47), et des filets (49) de protection tendus entre la plate-forme (48) et la surface d'écoulement (43) achèvent de séparer les baigneurs de l'orifice du puits (47) . La plate-forme (48) est suspendue à une passerelle (50) en forme de flèche par laquelle les baigneurs accèdent à la piscine ou en ressortent. L'accès peut éventuellement être possible directement par l'extérieur de la surface (43) qui fait alors office de toboggan .

Quelques autres caractéristiques optionelles de l'invention seront maintenant décrites. La figure 11, qui est une vue de dessus d'un dispositif analogue par ailleurs à celui des figures 1 à 4 par exemple, montre qu'un écoulement convergent peut être réalisé avec un élément d'entrée 3 à la fois elliptique et s 'étendant sur un secteur de cercle, l'élément d'évacuation (24) s'étendant lui aussi sur un secteur de cercle et les deux étant limités par un mur vertical (63) en forme d'angle qui donne deux limites latérales au dispositif et à l'écoulement. Le ressaut (1) a encore la forme d'une ligne continue, ici plus ou moins elliptique, entourant l'élément d'évacuation (24) d'un des pans du mur vertical (63) à l'autre. Les autres caractéristiques du procédé ne sont pas véritablement modifiées .

D'autres caractéristiques de l'écoulement et du ressaut peuvent être modifiées en instaurant une composante de vitesse angulaire à l'écoulement de fluide par des gouvernails placés à la région d'entrée du liquide. Ces gouvernails sont particulièrement bien adaptés à la configuration à la fente (10) des figures 1 à 4, à travers laquelle la vitesse initiale du fuide est importante. Les gouvernails consistent en des panneaux répartis régulièrement autour de la circonférence de l'élément d'entrée (3) et mobile, généralement à l'unisson, autour d'axes verticaux au moyen de moteurs (59) . Des dispositions spéciales doivent toutefois être prises quand la fente (10) a une hauteur variable : cela est représenté sur les figures suivantes .

Un mode de réalisation un peu différent est décrit aux moyens des figures 12, 13 et 14. Les gouvernails (75) comprennent des panneaux rectangulaires orientés horizontalement, mobiles en translation uniquement. On trouve un panneau simple (76) et un panneau creux (77) dans lequel le précédent coulisse. De plus, les panneaux (76) et (77) sont alternativement fixés à l'axe supérieur (65) et à l'axe inférieur (66) pour limiter les irrégularités d'écoulement dues à leurs épaisseurs différentes. Les panneaux (76) et (77) sont fixés aux axes (65) et (66) rigidement, leurs bords principaux sont horizontaux et leurs bords extrêmes sont adjacents à la plaque supérieure (7) et à la surface d'écoulement (23) . Les panneaux creux (77) sont plus épais près de l'axe auquel ils sont fixés afin de posséder une rigidité suffisante mais s'amincissent vers les panneaux pleins (76) ; tous les panneaux (76) et (77) s'amincissent aussi en direction de l'écoulement du fluide en s'éloignant des axes (65) et (66), comme on le voit bien à la figure 14, afin de ne pas perturber l'écoulement à l'excès. Un tel dispositif pourrait être généralisé à un plus grand nombre de panneaux agencés en un agencement télescopique et coulissant les uns sur les autres (liés à leurs voisins par des glissières verticales par exemple), les deux extrémités de l'agencement étant fixées aux axes (65) et (66) .