Euler / Bernoulli / Venturi / Coanda

Leonhard Paul Euler né le 15 avril 1707 à Bâle et mort le 18 septembre 1783 à Saint-Pétersbourg, est un mathématicien et physicien suisse, qui passa la plus grande partie de sa vie en Russie et en Allemagne. Euler fit d'importantes découvertes dans des domaines aussi variés que le calcul infinitésimal et la théorie des graphes. Il introduisit également une grande partie de la terminologie et de la notation des mathématiques modernes, en particulier pour l'analyse mathématique, comme pour la notion d'une fonction mathématique. Il est également connu pour ses travaux en mécanique, en dynamique des fluides, en optique et en astronomie. Il est le premier à mettre en évidence le phénomène d'addition de vitesse d'ejection flux par des buses montées sur un rotor et la vitesse de ce rotor. Le rotor de la turbine de Léonhard Paul Euler, accompagné de l'imge des vecteurs de vitesse.
  
Le dessin dedroite ci-dessus modifier permet de faire raccord avec le dessin ci-dessous dont les sens de flèches ne laissent aucuns doutes possible.

 
Le flux est expulsé dans le sens de rotation que la cloche inférieure.  Ce schéma est tiré du livre de mathématique écrit par Heuler lui même, une série de formule mathématique fait suite au schéma. Elles démontrent le comportement du flux dans ces condition d'accélération. Cette description fait furieusement penser à la turbine Richard Clem

Théorème de Bernoulli
Le théorème de Bernoulli qui a été établi en 1738 par Daniel Bernoulli exprime le bilan hydraulique simplifié d'un fluide dans une conduite. Il a posé les bases de l'hydrodynamique et, d'une façon plus générale, de la mécanique des fluides. En mécanique des fluides, le principe de Bernoulli statue que dans le flux d'un fluide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression. Ce principe est une simplification de l'équation de Bernoulli, selon laquelle la somme de toutes les formes d'énergie dans un fluide coulant le long d'un chemin inclus est identique à deux points quelconques dans ce chemin. Il est baptisé du nom du mathématicien suisse Daniel Bernoulli, bien qu'il ait été précédemment compris par Leonhard Euler et d'autres. Pour une formulation mathématique, voir le Théorème de Bernoulli. Dans un flux de fluide sans viscosité et donc dans lequel une différence de pression est la seule force d'accélération, la vitesse est équivalent aux Lois du mouvement de Newton. Il est très commun que l'effet de Bernoulli soit cité pour affirmer qu'un changement de vitesse cause un changement de pression, cependant le principe de Bernoulli ne fait pas ce rapport et ce n'est pas le cas.

Effet Venturi

Schématisation de l'effet Venturi.

La pression au point 1, est plus grande qu'au point 2, la vitesse du fluide au point 2 est plus grande qu'au point 1. L'effet Venturi, du nom du physicien italien Giovanni Battista Venturi, est le nom donné à un phénomène de la dynamique des fluides où les particules gazeuses ou liquides se retrouvent accélérées à cause d'un rétrécissement de leur zone de circulation. Également, l'accélération du vent occasionne une chute de la température (décompression adiabatique) et favorise la condensation dans un milieu gazeux. Le théorème de Bernoulli permet de comprendre ce phénomène : si le débit de fluide est constant et que le diamètre diminue, la vitesse augmente nécessairement ; du fait de la conservation de l'énergie, l'augmentation d'énergie cinétique se traduit par une diminution d'énergie élastique, c'est-à-dire une dépression. Venturi a donc prolongé le travail de Bernoulli en transformant le modèle vertical de Bernoulli (faisant intervenir une variation de l'énergie potentielle due à la hauteur) en un système linéaire. Il reprend l'équation de Bernoulli en remplaçant l'énergie potentielle par 0 (puisqu'il n'y a plus de variation de hauteur). L'effet Venturi ne concerne que les vitesses d'écoulement subsoniques. Voici un film qui montre l'efficacité du concept.

D’où vient l’effet Venturi ?

Les molécules d'air ont une particularité, elles refusent obstinément de se rapprocher, et si on tente de le faire, par exemple en rapprochant ses mains, elles s’échappent. C'est à tel point d'ailleurs qu'aux basses vitesses, l'air est considéré comme incompressible. "Incompressible" signifiant ici: "qui s'échappe pour ne pas se laisser comprimer", et non pas rigide. Imaginons qu'un flux d'air soit obligé de passer par une zone rétrécie, il y a plusieurs possibilités:
1) les molécules se rapprochent (hors de question, elle ne veulent pas).
2) une partie d'entre elles seulement passe par la zone
rétrécie, et pas les autres (cela signifierait l'accumulation des autres en amont du
rétrécissement, ce qui n'est pas possible si elles ne se serrent pas les unes contre
les autres, et justement elles refusent ce genre de chose).
3) elles accélèrent.

Pourquoi?

La poussée initiale unidirectionnelle contraint le flux à passer dans un petit espace, les molécules élastique son projetées les une sur les autres. Elles vont donc s'aligner en se repoussant et rebondirent sur leurs voisines dans toute les directions. Étant guidées par les parois du Venturi, d'une part et la poussées de la force initiale d'autre part, l'énergie élastique va s'exprimer dans une seule direction, cela se traduit par une accélération, et une baisse de pression. Car la somme statistique de réactions mécaniques des molécules est orientée, ou vectorisé diront nous, pour un débit longitudinal canalisé dans la même direction que la poussée initiale. On peut dire qu'il s'agit d'une simple transformation de l'énergie élastique potentielles des moléculles d'air en énergie dynamique de restitution après compression.

Effet Coanda ?

      
La première vidéo démontre que le couple créer par le flux est plus important que la poussée du flux lui même dés lord que le profil est adapté. La seconde vidéo démontre que le phénomène est le même avec de l'air. La troisième vidéo démontre que la buse peut être embarquée, et produire un effet sur le support sur laquelle elle est implantée. Cette dernière vidéo prouve qu'il est théoriquement possible, de produire une accélération infinie. Sur une turbine normale la rotation est le fruit du choc entre le flux et la pale. Donc relatif au différentiel entre la vitesse d'éjection du flux et la vitesse de la pale. Lorsque la pale parvient à une vitesse proche de la vitesse d'éjection du flux l'accélération devient nulle. Si nous utilisons un procédé dont la buse est embarqué sur la pale, la buse accélère en même temps que la pale. Se qui correspond à une cause qui grandi en même temps que l'effet, le différentiel reste donc constant. Le ventilateur Dyson utilise un vieux concept développé par Henri Coanda en 1936 Le principe de fonctionnement est strictement identique mais l'application est radicalement différente, ce qui légitimise les brevets Dyson.

Le profil creux diffuse un flux d'air via une fente, le flux rase le profil, le suit et produit une dépression de surface aux vertus accélérante. Cela produit des dépression environnantes en chaines. L'image au dessus monte la densité des lignes de flux, on constate que le flux drainer, ne l'est pas de manière rectiligne. Les dessins suivant on pour but de tenter de faire évoluer le concept vers un drainage de flux approprié à notre eventuelle utilisation.



Henri Conada semble être  très friand de l'exploitation de l'effet Venturi, pour exemple les dessins extraits de deux de ces brevets.

Sur cette seconde image on voit très nettement que le flux secondaire (Venturi) prend une place  prédominante.
Le flux moteur primaire est noté " f  ", alors que le flux secondaire est noté " F ".

Sur se brevet, on peut considérer que Coanda pensait que l’effet Venturi devait être plus ou moins sur unitaire.

Il  véhicule le flux primaire via quatre tubes de section faible pour créer un effet sur toute le périphérie du disque. Ce qu'il reste à connaitre se sont les pressions nécessaires pour que le système soit fonctionnel. Un détail important concernant la réalisation d'un système fonctionnel, La lèvre d'échappement doit être positionnée avant le dôme de disruption Coanda.

Extrait d'un brevet issue d'une société Française d'exploitation, lier à Coanda.

On  fait clairement référence au flux additionnel  créé par un flux primaire sous pression La  dernière phrase parle de drainage de " grandes quantité de fluide ambiant ". Il  serait intéressant de connaitre le rapport entre la pression nécessaire, et la masse de fluide drainée. Il  semble clair que la différence de volume est importante, l'inconnu est au niveau de la quantité d'énergie absorbée, pour  produire la pression suffisante pour drainer ce volume de connaitre la pression de se volume total ou bien sa vitesse potentiel, et  enfin d'évaluer la quantité d'énergie potentiel de la vitesse du volume disponible, à la fin le ratio des deux nous donnerait une indiction sur le rendement. Venturi et Coanda sont les deux aspects d'un phénomène identique, Venturi produit une dépression par le centre et récupère une aspiration par la périphérie, Coanda produit une dépression périphérique et récupère une dépression centrale.

Voici deux films montrant le comportement d'un Venturi.
Pour le premier le flux pénètre au centre, pour le second il pénètre en périphérie.

Différents tests montrent très clairment que la longueur tu tube est importante.

Les deux dernière vidéo montre deux aspects moins connus de l'effet Venturi
L'avant dernière est la réaction sur un tube Venturi obturé, la dépression interne au tube à pour conséquence la poussée externe sur la plaque de fond donc la production d'un mouvement.
La dernière est l'utilisation d'un flux d'air comme pompe dans un milieu liquide.

La première vidéo montre que le flux n'a pas besoin d'être aspiré en arrière, mais peut également l'être latéralement.
La seconde vidéo montre le même phénomène mais en basse pression, la dernière montre que la dépression latérale est capable de créer un vrai travail.

Voici la première vidéo de la future machine de mesure de la vitesse du flux. Le premier test commence par défaire une grand partie de mes croyances Le fait de concentrer le flux n'apporte aucun gain, bien au contraire, je pensais que la dispersion du flux ôtais de l'efficacité à la poussée primaire. Hors il se passe exactement l'inverse. Le premier constat que je peux faire est que la vitesse de sortie du flux en bout de tube ajouté est bien plus faible. L'hypothèse avancée pour expliquer cela est que l'effet venturi se produit dans le tube, il se forme un piston pneumatique. Étant donné qu'il n'y a rien à aspirer, le front d'onde formé produisant le piston freine sa propre progression dans le tube. La seconde vidéo tente de mettre en évidence le phénomène de flux additionnel qui permet de faire tourner le ventilateur témoins. Le tube de fort diamètre lorsqu'il est installé ne permet pas que l'effet Venturi se forme, et ne permet pas non plus qu'un flux externe s'additionne. Dés qu'une entrée externe devient possible, la mise en rotation du ventilateur prouve que le flux est plus important en volume et en vitesse globale. Cela prouve qu'une véritable addition de flux est possible, sans déperdision par frottement à l'intérieur d'un tube Venturi.
Ce qu'il faut retenir de ce phénomène sont les éléments clefs suivants. L'effet venturi dépend de la vitesse du flux primaire, pour un même débit et une même pression l'effet sera plus marqué pour une vitesse de flux importante. Il faut que l'air pulsé fasse office de piston pneumatique, donc le flux doit être le plus réparti possible dans le tube, ou au moins à un moment donné il doit embrasser la plus grande section de tube possible. Si le tube est de longueur trop faible, vis à vis du diamètre et que le flux est projeté de manière mono-point, il y a de fortes chances, pour que le flux n'est pas la distance nécessaire pour occuper la section global du tube, auquel cas la succion sera faible. Le meilleur rendement obtenu lords de mes essais, à été d'introduire la buse de manière centrale, avec une longueur de tube d'au moins 4 fois le diamètre. Ce bref descriptif explique le phénomène physique qui a lieu. Pour se qui est des Venturi perpendiculaires, le rendement est moins bon, car les sens de flux ne sont pas exactement respectés. Il me reste à tester un Venturi utilisant le profil Coanda, comme le ventilateur Dyson, à la différence que le diamètre sera plus faible. La répulsine de Schauberger, utilise le concept Venturi/Coanda, d'une manière encore un peu différente. Le flux primaire et le flux additionnel subissent une re-compression par effet centrifuge, puis sont ré-accélérés par pincement, à la suite de quoi on additionne à nouveau du flux,  ainsi la quantité de flux augmente sans déperdition de vitesses primaire. Pour finir cette étude, voici la forme idéal que doit prendre se que je nomerais un amplificateur Venturi.
 

Un dessin montrant le comportement du flux, nous ne somme pas au stade des explications, car par bien des aspects le comportement global reste nébuleux.
 

Pour bien comprendre se qu’il se produit, il faut faire appel à plusieurs choses, Tout d'abord la première loi de Newton. Elle stipule
   1 : que, sans action extérieure, un corps au repos reste au repos.
   2 : Un corps initialement en mouvement, poursuit ce déplacement en ligne droite et à vitesse constante.
Dans le cas que nous étudions c'est le 2, qui nous intéresse. En second l’effet Coanda, il ne s’agit pas d’une loi cette fois, mais de la description d’une observation. Cette observation est la suivante, lorsqu’un flux de fluide tangente un solide courbe en particulier mais cela reste vrai pour des surfaces plates ou concave, le flux suit la courbe. Le fluide adhère à la surface du solide pour des raisons probablement électrostatiques. L’observation est simple à faire avec un vers d’eau positionné transversalement sous un robinet. La tension superficielle en est également un exemple, grâce à cela il est possible de remplir un verre plus haut que les bords. La conséquence de cela est la création d'une zone limite, ou le flux se sépare en deux courants, le premier ayant tendance à suivre la courbe, Le second suivant sont chemin du à sont inertie propre. C’est ainsi que la zone limite étant relativement vide d’air le profil et sont flux superficiel adhérent y sont attirés. Il faut ajouter un troisième comportement, observé par Venturi celui-ci, Un flux contraint de passer par un espace de petite taille vis-à-vis du débit initial, subit une accélération. Ce comportement est du à l’élasticité des molécules d’air ainsi que le comportement électrostatique, encore une fois, mais cette fois de manière inverse. Les molécules d’air n’on pas envi de s’approcher trop prés de leurs collègues, elles se repoussent. La poussée initiale unidirectionnelle, contre un objet, une paroi, ou autre, contraint le flux d’air à trouver un passage. Les molécules d’air vont donc s’aligner en se repoussant les unes les autre, et comme elles sont élastiques elles vont rebondirent sur leurs voisines dans toute les directions. Étant guidées par les parois du Venturi, et poussées par la force initiale, l’énergie élastique va s’exprimer dans une seule direction, cela se traduit par une accélération, et une baisse de pression, Car la somme statistique de réactions mécaniques des molécules est orientée, ou vectorisé diront nous, pour un débit longitudinal canalisé dans la même direction que la poussée initiale. Si se passage entraine un changement de direction des molécules de manière unilatéral, Le flux non contraint lui va servir de seconde paroi, eu égard à sa masse, donc son inertie, Les molécules en mouvements n’ayant pas très envies de changer de direction, (loi de Newton), Elles vont créer une paroi fictive purement inertielle. Nous allons assister à une disruption du flux, d’une part une couche attirée par la paroi du solide, Créant un changement de direction du flux dans le cas d’une paroi courbe, D’autre part une couche de flux n’ayant pas de raison majeure de quitter sa trajectoire initiale, Car trop loin de la paroi pour être attiré par elle. Ces deux couches vont donc avoir des viscosités très différentes, ceci va renforcer la notion de paroi fictive et ainsi augmenter l’effet Venturi. Ceci explique l’accélération du flux d’air lissant le profil. Cette disruption du flux va donc créer zone plus ou moins vide d’air. Le profil ou l’aile va donc subir un déséquilibre de pression dessus dessous, Nous avons donc notre portance. La suite du feuilleton va passer par la résorption de ce vide dont mère nature à horreur. D’une part le la couche de flux supérieur, va être finalement déviée par le vide, La couche inférieure, (lissant le profil), va perdre de la vitesse à cause de son frottement sur le profil, Elle va finir aussi par décoller du profil car attiré par la zone vide d’air. Les deux couches vont se rejoindre, dans un ajustement de vitesse plus ou moins erratique.  Créant une turbulence sur la partie arrière de l’aile, visible précisément en soufflerie.