TRAVAUX PRATIQUES D’HYDRAULIQUE M1.EAU – GC-2011 - 2012 Table des matières
TP I - ETUDE D’UNE VANNE LEVANTE L EVANTE ET D’UN RESSAUT EN CANAL RECTANGULAIRE ................... 2 1 – Rappels théoriques ......................................................................................................................................... 2 1.1 – Cas de la vanne dénoyée ............................................................................................... ....................... 2 1.2. - Cas de la vanne noyée .......................................................................................................................... 3 1.2.1 - Ressaut noyé .......................................................................................................................................... 4 2 - Objet de la manipulation ....................................................... ........................................................... ............. 4 2.1 Description de l’installation ...................................................................................................................... 4 2.2 – Mode opératoire ...................................................... ........................................................... ....................... 5 2.3 - Précautions à prendre : ............................................................................................................. ............. 5 3. Calculs et résultats .......................................................... ........................................................... ....................... 5 3.1. Vanne dénoyée .......................................................... ........................................................... ....................... 5 3.2.- Ressaut dénoyé ......................................................................................................................................... 5 3.3. - Vanne noyée .................................................. ........................................................... ................................. 6 4 – Remarques ................................................... ............................................................ .......................................... 6 T.P II - MANOEUVRE DE VANNES DANS UN RESEAU ................................................................................. 8
A - Etude de deux manœuvres de vannes sur un même réseau ....................................................... ... 8 Manœuvre du débit par la vanne amont ........................................................... .......................................... 8 Manœuvre du débit par la vanne aval. .................................................... .................................................... 8 B - Variation de la piézométrie dans un réseau en présence d’air. ..................................................... 8 C - Conclusion .......................................................................................................................................................... 8
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TP I - ETUDE D’UNE VANNE LEVANTE ET D’UN RESSAUT EN CANAL RECTANGULAIRE 1 – Rappels théoriques Une vanne levante est est un orifice vertical de levée (hauteur d’ouverture) réglable en vue de faire passer de l’eau à un débit donné. Deux cas de fonctionnement sont possible (voir figures ci-dessous). 1.1 – Cas de la vanne dénoyée
La face aval de la vanne est entièrement hors de l’eau (h 2 ≤ b). Immédiatement à la sortie de la vanne, le régime est torrentiel avec passage au régime fluvial par un ressaut. Le débit est entièrement contrôlé par l’amont. Ce cas sera étudié en pr iorité lors de la manipulation. Une vanne dénoyée se comporte comme un orifice. Le débit qui l a traverse sera donné par: Z1
Q = µ .b.l .
2.g .h1
(1)
si h2 << h1 .
ressaut
h h où µ = coefficient de débit = f , b b 1
Z3
3
Z2
h1
l = largeur de la vanne = largeur du canal vitré µ . b = h 2 = Z2 - Z0 = veine contractée b = levée de la vanne
Z0
h3
b
h2
Figure 1 Vanne levante L’application de Bernoulli entre l’aval de la vanne et la veine contractée (phénomène convergent, rapide et court) conduit à la relation générale:
Q=
l. 2.g .(h1 − h2 ) 1
h2
2
−
(1’)
1
h2
2
1.1.1 - Ressaut dénoyé Le ressaut est un phénomène court qui permet le l e passage d’un écoulement torrentiel à un écoulement fluvial. Il s’y dissipe de l’énergie et est donc très érosif s’il n’y a pas protection du radier. Le cours d’hydraulique a mis en évidence les relations suivantes pour un ressaut en canal rectangulaire (on gardera les notations de la figure 1): •
les profondeurs conjuguées (h2 et h3) sont liées par: (2)
q= •
q2 g. h2 . h3
=
(h
2
+ h3
2
)
avec
Q l
la perte d’énergie est donnée par:
(3) H S 2
le ressaut a une longueur approximative de:(4) U 2 2 • en prenant le nombre de Froude : Fr 2 = g . h2 •
− H S 3 = ∆H S =
(h
3
−h2
)
3
4. h2 . h3
5 h3 < LR < 8 h3 à l’amont du ressaut, la forme forme de celui-ci
sera caractérisée par les formes de la figure 2. 2
1.2. - Cas de la vanne noyée
La face aval de la vanne est partiellement immergée (h 2 > b). Le régime est entièrement fluvial (à l’amont comme à l’aval) et est influencé par ce qui se passe à l’aval de la vanne. Ce cas de fonctionnement est à éviter car le débit n’est pas entièrement contrôlé par la vanne. On se refera à la figure 3 . On n’a plus de veine contractée. Le débit est donné par : Q = µ '.l .b.U 2 +
2g (h1
2 2 − h2 ) + U 1 − U 2
(5) avec:
µ ‘ = coefficient de débit # 0,986. µ (formule de WEISBACH)
q U = U1 = vitesse de l’eau en amont l . h q U2 = vitesse de l’eau en aval l h = U . 1
Z1
1
Vanne levante
Z2
2
Z3
2
L’application de BERNOULLI entre l’amont et l’aval, en considérant que la vitesse à prendre en compte est toujours celle du jet, conduit à une autre formulation: Z0
Q=
l . 2.g .(h1 − h2 ) 1 2
µ .b
Nombre de FROUDE en amont
2
−
h1 h2
b
h3
(6) (cf. cours d’Hydraulique à surface libre)
1
h1
2
Type de ressaut
Forme
Caractéristiques
1 < Fr < 1,3
Ressaut ondulé
Des ondulations sur une longueur importante: hauteur peu perceptible
1,3 < Fr < 1,6
Ressaut faible
Petits tourbillons superficiels: hauteur faible
1,6 < Fr < 2
Ressaut oscillant
Mouvement de balancement vertical du système
2 < Fr < 3
Ressaut calme
Ressaut bien localisé
3 > Fr
Ressaut fort
Paquets d’eau dans tous les sens
Figure 2: Définitions des types de ressauts ( les valeurs du nombre de FROUDE sont 2 gy ). données pour U
3
1.2.1 - Ressaut noyé
Si vous observez un ressaut noyé après la vanne, la formule classique des profondeurs conjuguées ne s’applique plus (Figure 3). L’application de BERNOULLI entre h1 et h3 en supposant que la répartition des pressions est bien hydrostatique et l’application du théorème d’EULER sur une surface fluide limitée par l’atmosphère, le radier, h3 et h2 , projeté dans le sens de l’écoulement conduisent à:
•
•
h1 +
Q 2
2. g . h1 . l
ϖ
[h 2
2
2
− h3
2
2
=
h3
+
] = ρ Q[U
3
Q 2
2. g . h .l
2
avec h = µ.b
]
−U 2
Figure 3: Vanne et ressaut noyés
La combinaison de ces deux équations conduit à l’expression des profondeurs conjuguées: 2 1 1 1 1 g Q 2 2 − 2 − h3 Q . − = h1 − 2 2g h1 h h3 h 2
2 - Objet de la manipulation Le but du TP sera donc d'étudier : la vanne et ses paramètres caractéristiques le ressaut et ses propriétés hydrauliques. Les résultats obtenus étant à relier avec ceux obtenus en cours ou dans la littérature. 2.1 Description de l’installation
Le matériel dont on dispose est un canal vitré rectangulaire EH 1000 de DELTALAB (Figure 4), partiellement obturé par une vanne levante. Le banc EH 1000 se compose de : une cuve d'alimentation en PVC, fixée sur un châssis en tubes d'acier protégé ; une pompe (débit 16 m 3 /h), fixée sur le châssis châssis ; un débitmètre à lecture directe (flotteur) dans une gamme de 1,6 à 16 m 3 /h; une vanne de réglage manuelle située après la pompe ; un canal vitré de 6 m de long ; un dispositif de réglage de la pente du canal. Le régl age de la pente se fait par un volant et une tige filetée. Il faut desserrer la vis de blocage de position et actionner le volant pour monter ou descendre. Un repère indique i ndique la pente (positive ou négative) en %. La pente maximale est de 4% et la minimale de -2%. Des réglages intermédiaires peuvent être faits, sachant que : la distance entre l'axe d'articulation et le dispositif d'inclinaison est de 5,00 m. la distance entre les repères 0 et 1 est de 5 cm. un jeu de profils (Vanne guillotine, piles de pont, etc.). Les profils sont de 2 sortes : Ceux qui se fixent sur le fond du canal (déversoir en Vé, seuil mince à nappe aérée, seuil épais, seuil Neyrpic, pile de pont ronde); Ceux qui se fixent sur les parois du canal (Parshall, Vanne guillotine, pile de pont rectangulaire).
4
2.2 – Mode opératoire
Les paramètres sur lesquels on peut agir sont : − le débit (au moyen de la vanne d'alimentation du canal) − la levée b de la vanne ( ici est constante ). − la hauteur d'eau aval h 3 (au moyen de la vanne guillotine au bout du canal). Les autres paramètres dépendent de ces 3 grandeurs. On 1. 2. 3. 4.
5. 6. 7.
procédera comme suit: Dans un premier temps, mesurer la cote Z 0 du fond du canal ; La vanne est à une levée b : la mesurer à l'aide d'un double mètre ; Ouvrir à fond la vanne guillotine au bout du canal, et ouvrir la vanne d'alimentation du canal à une position donnée ; Attendre le régime permanent. Puis fermer peu à peu la vanne au bout du canal, de façon à faire apparaître un ressaut en aval de la vanne étudiée. Le ressaut doit rester fixe. La vanne sera dénoyée et vous ne toucherez plus à la vanne d'alimentation: Q constant. Attendre à nouveau le régime permanent, puis faire les mesures des cotes Z 1, Z2, Z3 à l’aide des limnimètres et lire le débit sur le débitmètre. Observer le ressaut (pour le décrire) et mesurer approximativement sa longueur. Fermer davantage la vanne au bout du canal de sorte que la vanne à étudier soit noyée (ne le faire que si le canal en amont de la vanne ne risque pas de déborder ). Attendre le régime permanent. Refaire les mesures de Z1, Z2, Z3 et relire le débit (il peut varier légèrement). 2.3 - Précautions à prendre :
Vérifier toujours le niveau d'eau dans le bac d'alimentation avant d'enclencher la pompe (risque d'échauffement). Si le niveau est insuffisant, i nsuffisant, appeler le technicien du laboratoire. Ne pas faire tourner longtemps la pompe si la vanne est complètement fermée (risque d'échauffement). En cas de panne de courant, il est préférable de désactiver l'interrupteur de mise en marche de la pompe, Tenir les lieux propres en évitant les débordements du canal. Appeler l'encadreur ou le technicien du laboratoire en cas de difficultés et ne pas toucher à la partie électrique. Eviter les chocs avec le matériau en plexiglas très fragile.
3. Calculs et résultats Le débit Q est une constante. Tous les résultats seront établis pour ce débit Q permanent. 3.1. Vanne dénoyée
Détermination du µ de la vanne à partir de l'abaque de la figure 5, fonction des caractéristiques de votre installation et de l'écoulement. − Vérifier que h2 = µ x b − Déterminer le débit Q par la relation (I) et (I'). Remarque: Comparer avec le débit effectivement lu sur le débitmètre. −
3.2.- Ressaut dénoyé
Le décrire. Mesurer approximativement sa longueur et vérifier l'équation (4) Sa classification (figure 2) correspond-elle à votre description ? Connaissant h 2 et Q, montrer que la profondeur conjuguée h 3 calculée par l'équation(2) est similaire à celle mesurée réellement sur le canal. − Vérifier aussi sur l'abaque de la figure 6, la valeur de h 3 connaissant Q et h 2. − Calculer l'énergie dépensée. Tracer la ligne d'eau et de charge. − − − −
5
−
Calculer le nombre de Froude caractéristique du ressaut
Fr 2 =
U 2
2
gh2
Vérifier que h2 < Yc < h 3 où Yc est la profondeur critique du canal que vous aurez calculée. Ce canal est-il à faible ou forte pente ? Quels types de courbes de remous observez-vous ?
−
N.B.: Dans le cas où vous auriez un ressaut noyé, référez-vous au paragraphe 1.4. 3.3. - Vanne noyée − Connaissant Q, à partir de l'équation ( 5 ), vous déduirez µ' et vous vérifierez la r elation de WEISBACH. − En appliquant la relation ( 6 ), vous vérifierez que le débit calculé Q est similaire au débit lu sur le débitmètre.
4 – Remarques Votre compte rendu devra être concis mais précis, Eviter les rappels théoriques et re-démonstrations : le cours est supposé assimilé. Vous présenterez vos résultats ré sultats sur tableaux, si possible, avec les étapes de vos calculs. Cependant vous apporterez les commentaires nécessaires à la bonne compréhension des phénomènes étudiés. Référez- vous au cours d'hydraulique à surface libre. Vanne levante
Figure 4 – Canal vitré EH 1000 de DELTALAB
µ
Figure 5 : Coefficient de débit de vannes verticales ( tiré de Lancastre)
6
7
T.P IIII - MANOEUVRE DE VANNES DANS UN RESEAU
A - Etude de deux manœuvres de vannes sur un même réseau Le réseau en cloche part du réservoir. On peut modifier le débit dans le réseau en manœuvrant l’une des deux vannes quart de tour situées à l’entrée et à l a sortie du réseau en cloche. Nous allons étudier si le réseau a le même comportement, que nous manœuvrons la vanne amont ou aval pour réguler le débit. Le réseau ne comporte pas d’outils de mesure de débit, on ne pourra donc pas tracer la courbe courbe h = F(Q), mais on comparera les piézomètres en 18 et 19. Manœuvre du débit par la vanne amont
Les deux vannes étant totalement ouvertes, notez la piézo. en 18 et 19. Fermez très progressivement la vanne amont et notez la piézométrie en 18 et 19 au fur et et à mesure que vous fermez. Tracez la courbe courbe h19 = f(h18). Décrivez aussi, illustrations illustrations à l'appui, ce qui se passe sur le réseau depuis le moment où h19 s’annule jusqu’à la fermeture totale de l a vanne ( le débit sur la conduite nul ). Manœuvre du débit par la vanne aval. Les deux vannes étant totalement ouvertes, notez la piézo. en 18 et 19. Fermez très progressivement la vanne aval et notez la piézo en 18 et 19 au fur et à mesure que vous fermez. Tracez la courbe h19 = f(h18) sur le même graphique que précédemment.
Commentez les différences constatées entre les deux fonctionnements et justifiez les. Quel système proposeriez vous pour régler le débit débi t dans un réseau d’adduction d’eau, à partir de ces expériences ? Justifier ( avantages et inconvénients de chaque méthode à l’appui ) , la solution proposée. B - Variation de la piézométrie dans un réseau en présence d’air. Sur ce réseau en cloche , vannes amont et aval totalement ouvertes, fermez la vanne amont seulement et retirez l’obturateur plastique au sommet de la cloche. Quand l’eau s’est écoulée dans la partie aval du réseau, remettez en place l’obturateur. Nous allons maintenant décrire un écoulement qui ne répond pas à loi vue jusqu’à présent selon laquelle la piézométrie baisse sur un réseau quand le débit augmente. Vous devez justifier le comportement étudié. 1° phase : Ouvrez très légèrement la vanne amont. Constatez que la piézométrie augmente en 18 , alors que le débit augmente dans le réseau. Justifiez ce comportement singulier. 2° phase : La cloche se remplie d’eau. Tout en laissant la vanne dans la même position, remarquez que la piézo. en 18 va baisser et même s’annuler alors que l e débit ne change pas. Là encore , à l’aide d’un schéma, expliquez ce phénomène. 3° phase : Continuez à ouvrir lentement la vanne amont et remarquez , qu’alors que le débit augmente dans le réseau, la piézo. augmente en 18. Un schéma commenté expliquera ce comportement. C - Conclusion Rappeler les principales qualités d'un bon réseau d'adduction et proposer des appareils hydrauliques et ou des actions à entreprendre pour éviter ou éliminer les principaux dysfonctionnements constatés.
8
SCHEMA DU CIRCUIT
N
=
O
=
P
=
80
400
100
150
110
0 5 4
O
N
18
19
Tube transparent ∅ 20 intérieur
Tuyau d'alimentation
P
N.B : les cotations sont en millimètres milli mètres
9
