Éoliennes inspirées des baleines

Les scientifiques marins soupçonnent depuis longtemps que l'incroyable agilité des baleines à bosse provient des bosses sur le bord d'attaque de leurs nageoires. Des chercheurs de l'Université Harvard ont maintenant mis au point un modèle mathématique qui aide à expliquer ce bord hydrodynamique. Le travail donne un poids théorique à un nombre croissant de preuves empiriques que des bosses similaires pourraient conduire à des conceptions d'avions plus stables, des sous-marins plus agiles et des pales de turbines capables de capter plus d'énergie du vent et de l'eau.

Finspiration : Les bosses sur le bord d'attaque de la nageoire de la baleine à bosse lui confèrent un avantage hydrodynamique. Les chercheurs découvrent que des bosses similaires pourraient rendre les éoliennes, les pales de ventilateur et les ailes d'avion plus efficaces.

Nous avons été surpris de pouvoir reproduire une grande partie des découvertes issues des souffleries et des tunnels d'eau en utilisant une théorie relativement simple, dit Ernst van Nierop , doctorant à la School of Engineering and Applied Sciences de Harvard. Il est co-auteur de l'étude avec le professeur de mathématiques Michael Brenner et le chercheur Silas Alben.

L'avantage de la nageoire de baleine à bosse semble être l'angle d'attaque dont elle est capable - l'angle entre le flux d'eau et la face de la nageoire. Lorsque l'angle d'attaque d'une nageoire de baleine ou d'une aile d'avion devient trop raide, le résultat est ce qu'on appelle le décrochage. En aviation, le décrochage signifie qu'il n'y a pas assez d'air circulant sur la surface supérieure de l'aile. Cela provoque une combinaison de traînée accrue et de perte de portance, une situation potentiellement dangereuse qui peut entraîner une perte soudaine d'altitude. Des expériences antérieures ont cependant montré que l'angle d'attaque d'une nageoire de baleine à bosse peut être jusqu'à 40 % plus raide que celui d'une nageoire lisse avant que le décrochage ne se produise.

Dans un papier récemment publié dans Lettres d'examen physique et souligné dans le journal La nature , l'équipe de recherche de Harvard a montré que les bosses sur la nageoire à bosse, appelées tubercules, modifient la répartition de la pression sur la nageoire de sorte que certaines parties de celle-ci décrochent avant d'autres. Étant donné que différentes parties de la nageoire décrochent à différents angles d'attaque, il est plus facile d'éviter un décrochage brusque. Cet effet donne également à la baleine plus de liberté pour attaquer à des angles plus élevés et la capacité de mieux prévoir ses limites hydrodynamiques.

Les chercheurs ont également découvert que l'amplitude des bosses joue un rôle plus important que le nombre de bosses le long du bord d'attaque d'une palme. L'idée est que vous pourriez créer un avion beaucoup plus difficile à décrocher et plus facile à contrôler, explique van Nierop. Par exemple, les avions de chasse pourraient être conçus pour être plus acrobatiques sans risque de chutes induites par le décrochage. Dans l'eau, les sous-marins navals pourraient être rendus plus agiles.

La recherche de Harvard valide les premiers tests contrôlés en soufflerie de modèles de palmes, menés il y a cinq ans à l'US Naval Academy, à Annapolis, MD, où il a été démontré que le décrochage se produisant généralement à un angle d'attaque de 12 degrés est retardé jusqu'à ce que le l'angle atteint 18 degrés. Lors de ces tests, la traînée a été réduite de 32 % et la portance améliorée de 8 %.

Cette recherche a été détaillée dans un étude de 2004 en collaboration avec l'Université West Chester et l'Université Duke. Ce [travail de Harvard] montre essentiellement que la théorie et les mesures empiriques sont proches, et ajoute plus de poids à notre affirmation originale sur la fonction des tubercules, explique Frank Fish, professeur de biologie à West Chester et auteur principal de l'étude originale.

Déjà, des tentatives sont faites pour incorporer la conception du tubercule dans des produits commerciaux. Fish est président d'une entreprise basée à Toronto, en Ontario, appelée WhalePower , qui a commencé à démontrer les avantages des tubercules lorsqu'ils sont intégrés aux bords d'attaque des pales d'éoliennes et de soufflantes.

Des prototypes de pales d'éoliennes (voir l'image ci-dessous) ont montré que le décrochage retardé double les performances des éoliennes à des vitesses de vent d'environ 17 miles par heure et permet à l'éolienne de capter plus d'énergie des vents à faible vitesse. Par exemple, les turbines génèrent la même quantité d'énergie à 10 miles par heure que les turbines conventionnelles génèrent à 17 miles par heure. Les tubercules canalisent efficacement le flux d'air à travers les pales et créent des tourbillons qui améliorent la portance.

WhalePower, basée à Toronto, en Ontario, teste cette pale d'éolienne dans une installation d'essais de vent à l'Île-du-Prince-Édouard. Les bosses, ou tubercules, sur le bord d'attaque de la pale réduisent le bruit, augmentent sa stabilité et lui permettent de capter plus d'énergie du vent.
Crédit : WhalePower

Stephen Dewar, directeur de la recherche et du développement chez WhalePower, déclare que tests en cours à l'Institut de l'énergie éolienne du Canada, dans la province de l'Île-du-Prince-Édouard, ont montré que les pales doublées de tubercules sont plus stables, silencieuses et durables que les pales conventionnelles. La turbine a survécu au choc d'un ouragan, et elle a survécu à la neige et à la glace entraînées par le vent, dit-il.

WhalePower a également montré lors de démonstrations que les pales à revêtement tubéreux des ventilateurs de plafond industriels peuvent fonctionner 20 % plus efficacement que les pales conventionnelles, et qu'elles font un meilleur travail pour faire circuler l'air dans un bâtiment. Les résultats ont été suffisamment spectaculaires pour convaincre le plus grand fabricant de ventilateurs au Canada d'autoriser le design, qui apparaîtra dans une nouvelle gamme de produits dont la sortie est prévue fin avril.

Cet accord de licence avec la société de fans est formidable, dit Fish. Il montre essentiellement l'une des nombreuses applications potentielles de cette technologie. L'union de la biologie et de l'ingénierie par la biomimétique rendra possibles les innovations futures.

L'étude de Harvard arrive à la même conclusion. Il est possible que les leçons tirées des nageoires des baleines à bosse se retrouvent bientôt dans la conception d'ailes à usage spécial, d'hydroptères, ainsi que de pales d'éoliennes et d'hélicoptères.

cacher