Le bélier hydraulique

Projet Technologique __________________________

Rendu le 13 Décembre 2007

Réalisé par : - BARRY Ugo - EL ARCHI Karim - OUALLET David

PROMOTION

Marne

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SOMMAIRE

Introduction ______________________________________________________________ 3 I.

____ _________________________ _____________________ ________ 4 Description du Bélier Hydraulique ________________ A. B.

II. A. B. C.

III. A. B.

Principe de fonctionnement ______________________ _________________________________ _______________________ _____________ _4 Paramètres à considérer considérer :______________________ __________________________________ _______________________ ______________ ___ 5

Acquisition de la pression ________________ ___ _________________________ _________________________ _______________ __ 6 Préambule _______________________ ___________________________________ _______________________ _______________________ _____________ _6 Mesure de la pression ____________________________ _______________________________________ ______________________ ___________ 7 Résultats des mesures mesures de pression pression _______________________ __________________________________ __________________ _______ 8 _____ _________________________ __________________ _____ 11 Mesure du déplacement du clapet _________________ Principe d acquisition de la dynamique du clapet de batterie ___________________ ___________________ 11 Résultat de la mesure mesure de la dynamique du clapet clapet de batterie batterie ___________________ ___________________ 12 







Introduction Le principe du bélier repose sur la surpression créée lorsque le débit d'un liquide est soudainement interrompu. L'onde de choc qui en découle est souvent violente et endommage les canalisations non protégées. L'industriel et inventeur Joseph de Montgolfier eu l'idée, en 1792, de détourner cet effet à bon escient. Après avoir fait voler des aérostats avec son frère Etienne, il dépose le brevet de cette pompe autonome et efficace et la nomme bélier, en raison du bruit et de la violence du coup. Installée près d'une source ou d'une chute d'eau, la machine permet de monter le liquide jusqu'à plusieurs dizaines d izaines de mètres sans énergie é nergie autre aut re que celle apportée par le courant. Une fois lancée, elle ne s'arrête plus. Ou presque. Seule la baisse du débit entrant, le gel ou une impureté dans l'eau qui bloquerait les clapets met fin à ses coups de boutoirs réguliers. Le projet technologie de cette année rentre dans le cadre de projet de l année dernier. En effet la création du dispositif et la validation de son fonctionnement ont été déjà faites l année dernière. Notre travail est de compléter le travail déjà effectué. Il s agit de réaliser l acquisition de données dans l optique d une élaboration d un modèle numérique. Notre objectif est l acquisition de la pression en différents points sur le dispositif et la compréhension du comportement dynamique dynamique du clapet de sortie. sortie. Pour arriver à nos buts, buts, nous avons avons mis en place une une chaîne d acquisition comportant, un capteur de pression, une carte d acquisition et un ordinateur pour le traitement du signal. Pour étudier la dynamique du clapet, nous avons été amenés à construire un dispositif qui permet l acquisition et le suivi du mouvement du ressort du clapet. 

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I.

Description du Bélier Hydraulique A. Principe de fonctionnement

Les schémas de la la Figure 1 présentent le fonctionnement de l installation. 

Figure 1 : Principe général de fonctionnement

Le groupe précédent a réalisé le montage présenté en Figure 2 :

Ballon

Tuyau de refoulement

Clapet de retenue

Vanne

Purge

Figure 2 : Présentation des pièces du bélier hydraulique

Clapet de batterie







Le fonctionnement du bélier hydraulique repose sur un cycle en 4 t emps : 1 - Le clapet de batterie est ouvert et l eau provenant d un réservoir en amont s écoule par la conduite de batterie à travers le clapet de batterie. 

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2 - L augmentation de la vitesse d écoulement de l eau provoque la fermeture brutale du clapet de batterie. La fermeture brutale du clapet de batterie provoque alors un coup de bélier. L onde de surpression provoque l ouverture rapide du clapet de retenue qui laisse passer une petite quantité d eau dans le ballon. 

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3 - Il se produit une dépression sous le clapet de batterie qui s ouvre de nouveau. L eau reprend de la vitesse et le cycle recommence. 

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4 - L eau qui rentre dans le ballon comprime peu à peu l air enfermé. C est l augmentation de la pression de l air qui fera monter l eau du ballon dans le tuyau de refoulement. 

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B. Paramètres à considérer :

Pour comprendre le fonctionnement de l installation, il faut prendre en considération plusieurs paramètres qui influencent le déroulement des différentes étapes du cycle du bélier hydraulique. Ces paramètres sont les suivants : 

-les caractéristiques de la canalisation de l alimentation. -La pression de l air à l intérieur du ballon, -La charge amont ou hauteur de chute, -La dureté du ressort du clapier, 

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La canalisation dalimentation :

C est la conduite qui relie la source au bélier. La longueur de la conduite d alimentation est importante pour un bon fonctionnement de l'installation. Elle dépend de la hauteur de chute et doit se situer entre 3 et 5 fois cette hauteur. La conduite d alimentation devant résister aux "coups de bélier" il est indispensable qu'elle soit réalisée en matériaux rigides tels que tuyaux d'acier ou de fonte. Les tuyaux en matière plastique sont à proscrire pour cet usage à cause de leur élasticité. La conduite d alimentation doit avoir une pente régulière, éventuellement avoir une pente plus forte dans sa partie supérieure pour arriver au bélier avec une pente plus faible, jamais l'inverse. Il faut éviter si possible les courbes et des coudes. 

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La dureté du ressort du clapet :

Ce paramètre a été étudié l année dernière. Le ressort que nous avons utilisé cette année fut paramétré et validé par les étudiants de l année d avant. 

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La pression de lair dans le ballon :









Pour fonctionner, le ballon doit être pourvu d une quantité d air qui se comprimera et décomprimé. Ce paramètre n a pas été modifié durant les phases de mesure. 

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La charge amont ou hauteur de chute :

Pour éviter la baisse du débit entrant dans la conduite d alimentation, il faut garder une hauteur de chute constante. En effet une baisse de débit entraîne une baisse de vitesse d écoulement ce qui conduit à l arrêt du clapet. Pour avoir une charge constante à l amont du clapet, nous avons créé un trop plein dans le réservoir d alimentation. Il s agit d un tuyau qui récupère l excédent d eau quand le niveau dépasse le trop plein. plein. 

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Arrivée d eau 

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Tro Tro

lein ein

Flotteur de débordement Figure 3 : Système de régulation de la charge

Une pompe réinjecte l eau perdue par le bélier hydraulique dans le réservoir de tête afin que la variation de charge soit nulle. C est un circuit fermé. 

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II.

Acquisition de la pression A. Préambule

Dans l optique de la modélisation numérique du bélier hydraulique, nous devons mesurer la pression lors du coup de bélier. Pour l acquisition de cette donnée, nous avons opéré avec un capteur de pression qui traduit la pression en volt. Grâce au logiciel Matlab, nous récupérons ensuite les mesures faites par le capteur. Ce capteur de pression a une fréquence maximale d acquisition de 5000 Hz. Afin d avoir une acquisition totale et précise de la pression lors du coup de bélier, la fréquence d acquisition du capteur doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale caractérisant le coup de bélier. Comme nous allons le voir par la suite, le coup de bélier est caractérisé par des phénomènes à fréquences variables (onde de masse, onde de pression …). L onde de pression est l onde pour laquelle la fréquence est la plus élevée et vaut environ 115 Hz. 

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f =

c L









Afin d avoir une représentation fine du coup de bélier en terme de pression, nous avons décidé de prendre la pression à une fréquence de 1000 Hz pendant 20 secondes. 

B. Mesure de la pression

Comme la répartition de la pression dans le système de pompage nous était inconnue, nous avons décidé de la prendre en plusieurs points : •

Immédiatement en amont du clapet de batterie. En effet, c est au niveau du clapet de batterie que l onde de surpression se crée. • Immédiatement en amont et en aval du clapet de retenue. • Immédiatement en aval du ballon • Immédiatement en amont de la vanne 

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Pour chacun des points, nous avons pris 4 séries de mesures pour vérifier si le signal enregistré était correct et se répétait bien dans le temps. L utilisation du capteur de pression nécessite la pose d un T à l endroit même où l on veut prendre la mesure. 

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Aval du ballon

Aval clapet retenue

Amont vanne

Amont clapet retenue







Nous avons répété répét é l opération une fois avec le T posé en amont de la vanne et en amont du clapet de retenue et une autre fois avec le T posé en aval du ballon pour les mesures de pression au niveau du ballon ballon et en amont du clapet de retenue. Ainsi, nous pouvons respectivement comparer le signal capté en amont du clapet de retenue avec ceux captés en amont de la vanne et du clapet de batterie dans les mêmes conditions hydrauliques. 

C. Résultats des mesures de pression

Comme nous l avons déjà dit précédemment, les mesures que nous récupérons sous Matlab sont codées en volt. L étalonnage du capteur nous permet ensuite de travailler en pression. 

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Pour information, la pression statique se situe aux alentours alentours de 0.2 bars. La forme du signal de pression est sensiblement la même quel que soit le point de mesure. La courbe suivante nous permet de vérifier la redondance du signal dans le temps. t emps. Fermeture totale du clapet de batterie Courbe de pression 1,2 1 ) s r a b ( n o i s s e r P

0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2

0

0,5

1

1,5

2

2, 5

3

Temps (s)

Début de fermeture du clapet de batterie

Figure 5 : Courbe de pression prise à l amont du clapet de batterie

Ouverture totale du clapet de batterie







1

2

3

4

1.1 1 0.9 0.8 0.7

s r a B

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

Temps (s)

Figure 6 : Courbe de pression prise à l amont du clapet de batterie

1 : Ce premier pic de pression est du à la fermeture totale du clapet de batterie. C est l onde de pression : on a une surpression et une dépression bruta le. La fréquence de c ette oscillation est de 140 Hz. 2 : Les pics suivants ont une fréquence de l ordre de 110 Hz. Les surpressions et dépressions successives sont dues à l apparition et la disparition de l onde de pression qui parcourt un aller-retour dans la canalisation (2*5.65 soit 11.30 m). Elles seraient peut-être dues à l ouverture du clapet de retenue qui créerait également un coup de bélier. 3 : Ces oscillations ont une fréquence de l ordre de 15 Hz. Elles seraient peut-être dues au clapet de retenue qui créerait des ondes de pression qui viendraient interférer avec celles créées par le clapet de batterie. 4 : Cette dépression brutale est du à l ouverture du clapet de batterie. A partir de là, la pression diminue pour revenir revenir à sa valeur d origine. 

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Courbe de pression 1.2 1 0.8 ) s r a b

0.6

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canalisation. La fréquence de cette oscillation vaut 0.1 Hz ce qui représente une vitesse de propagation de 1.3 ms-1. Cette valeur de vitesse de propagation nous conforte dans cette hypothèse. Nous avons fait également une analyse de Fourier appliqué au signal capté. Une analyse de Fourier nous permet de mettre en exergue les différentes fréquences qui peuvent être observées sur la courbe de pression précédente. Les résultats sont les suivants : Nous avons trois familles de fréquences : 110 Hz, 60 Hz et 15 Hz. Comme vu précédemment, les oscillations de 110 Hz représentent l onde de pression. La fréquence de 15 Hz est la fréquence des oscillations nommées 2 sur la Figure 6. La fréquence de 60 Hz n a pas été observée sur les courbes de pression. 

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En aval du clapet de retenue, ret enue, la forme des signaux est différente. Ouverture du clapet de retenue

Fermeture du clapet de retenue Courbe de pression

0.8

0.7

) s r a b ( n o i s s e r P

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2 0

0.5

1

1.5

2

2. 5 Temps (s)

3

3. 5

4

4.5

5







III.

Mesure du déplacement du clapet

La mesure du déplacement du clapet permettra d expliciter les variations de pression obtenues précédemment et plus particulièrement les pics significatifs. 

A. Principe dacquisition de la dynamique du clapet de batterie

Pour mesurer le déplacement, nous avons opté pour un système de type table traçante, en fonctionnement mécanique (pas de signal électrique). élect rique). Dans un premier temps, nous avons relié l embout du clapet à une tige creuse en laiton de ∅ = 4 mm. Nous avons réalisé ensuite un paravent troué permettant le passage d une tige et faisant office de protection contre les jets d eau. Un guide réglable en aval du paravent est utilisé pour alléger le poids du stylo qui viendra par la suite. Le stylo est serré dans un tuyau relié à la tige. Le montage est photographier et présenté à la Figure 9. 

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Bélier hydraulique

Protection contre les jets d eau + guide

Guide réglable our our la la ti ti e



Table traçante









Sens de défilement du papier

Figure 10 : Tracé en cours du mouvement du clapet

Fermeture totale du clapet Fermeture progressive du cl cla et 0.8 s

1.0 s

Ouverture du clapet







La première observation que l on puisse faire est que le mouvement n est pas linéaire dans le temps : 

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A T0, le clapet est ouvert. Cette position se maintient durant 0.4 s ; énergie Hypothèse : La vitesse du fluide augmente progressivement. Durant les 400ms, l  é nergie cinétique du fluide n est est pas assez forte pour mettre en mouvement le clapet. A T0.4, le clapet commence à se fermer par palier. Selon les courbes, nous observons 1 ou 2 paliers ; un n ressort devrait être continue, hors Hypothèse : D  après après la loi de Hooke, la déformation d  u ici, nous observons l  établissement de 2 paliers. Il faut prendre en compte les pertes de  établissement charges du au clapet et peut être êt re au mouvement de masse. A T0.8/1.0 il y a fermeture brutale du clapet suivi immédiatement par un léger décrochement. Hypothèse : L énergie énergie cinétique permet la fermeture du clapet. Cette fermeture brutale doit être du à une augmentation rapide de la vitesse du fluide et aux forces de frottements qui sont vaincues. Le léger pic de décrochement peut être dû à un ef fet de dépression juste après la fermeture fe rmeture du clapet. Entre T0.8/1.0 et T1.3, le clapet se réouvre doucement, de façon quasi linéaire ; A T1.3 le clapet souvre brutalement avec un léger pic ! négatif " puis retour à létat initial. Hypothèse : La contrainte exercée sur le clapet devient plus faible que la poussée du ressort. Le léger pic ! négatif négatif " est est peut être dû à la compression du joint.







0.75

4

0.65

3.5 3

0.55

2.5

0.45 s r a b

2 0.35

1.5

0.25

1

0.15

0.5

0.05

0

-0.05

-0.5 0

0. 2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1. 6

temps (s)

Pression

tracé du clapé

Figure 12 : Corrélation entre la pression de sortie et le mouvement du clapet

Analyse de la corrélation entre la pression de sortie et le mouvement de clapet •

La première remarque concerne les deux paliers observés entre t=0.4s et t=1s. En







0,6800

4 3,5 3,5

0,5800

3 0,4800 s r a B

2,5 2,5

0,3800

2

0,2800

1,5 1,5 1

0,1800

0,5 0,5 0,0800

0

-0,0200

-0,5 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Temps (s) Pression Pression en am amont ont de la vanne anne

Tracé Tracé du clapet

Figure 13 : Corrélation entre la pression en amont de la vanne et le mouvement du clapet

Ce graphique nous permet de remarquer une corrélation entre les pentes de pression et le mouvement de fermeture et d ouverture du clapet. Cependant il y a de nombreux pics que nous ne sommes pas en mesure d expliquer avec les données actuelles. 

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Conclusion Les objectifs de ce projet étaient d acquérir des données de pression en différents points du système ainsi que de caractériser le déplacement du clapet. Cette étape préalable est nécessaire en vue d une modélisation du fonctionnement du bélier hydraulique. 

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Les mesures de pression ainsi que celle du mouvement de clapet ont permis de comprendre une partie du fonctionnement du bélier hydraulique. Nous avons pu identifier les incidences de l ouverture et de la fermeture du clapet de batterie sur la pression. Cependant, le fonctionnement et l impact du second clapet, celui de retenue, demeurent assez complexe. Celui-ci intervient certainement dans l apparition des pics situés après le pic initial lorsque la pression est élevée ( P > 0.45 bars). 

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Il serait intéressant par la suite de réaliser une mesure de la vitesse en même temps que la mesure de pression afin de comprendre les mécanismes internes qui ne sont pas accessibles par les moyens que nous avons mis mis en place.

Le bélier hydraulique

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