Hydraulique Coup de Bélier [PDF]

Zitiervorschau

COUPS DE BÉLIER GENERALITES Définition : Phénomène oscillatoire transitoire se manifestant dans les conduites en charge (en gravitaire ou en refoulement) CAUSES : •

Arrêt brutal d’une ou plusieurs pompes

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Démarrage d’une ou plusieurs pompes

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Fermeture instantanée ou rapide d’une vanne

EFFETS ET REMEDES : Les effets sont particulièrement néfastes pour les tuyaux qui ne peuvent supporter des variations de pressions trop importantes. Pour remédier aux coups de bélier, on peut utiliser des vannes à fermeture lente (on remédie à la cause du coup de bélier) ou des réservoirs anti béliers qui permettent une diminution de leurs effets. Ceux-ci communiquent avec un point de la canalisation et sont placés au-dessus d'elle. Ils sont constitués par une capacité remplie partiellement de liquide et dont la partie haute est sous pression d'air. Les variations de pression dans le tuyau sont donc amorties par les variations de volume de la partie remplie d'air.

Célérité de l’onde élastique

• K = Coefficient d’élasticité du liquide • = Masse volumique du liquide • D = Diamètre de la conduite • e = épaisseur de la conduite

• • • •

E = Module d’élasticité du matériau de la conduite Conduite indéformable ex : Fonte c = ~ 1400 m/s Conduite déformable ex : acier c = 900 à 1000 m/s PVC ou PEHD c = ~ 600 m/s

Amplitude du coup de bélier :

EFFETS ET REMEDES : Les effets sont particulièrement néfastes pour les tuyaux qui ne peuvent supporter des variations de pressions trop importantes. Pour remédier aux coups de bélier, on peut utiliser des vannes à fermeture lente (on remédie à la cause du coup de bélier) ou des réservoirs anti béliers qui permettent une diminution de leurs effets. Ceux-ci communiquent avec un point de la canalisation et sont placés au-dessus d'elle. Ils sont constitués par une capacité remplie partiellement de liquide et dont la partie haute est sous pression d'air. Les variations de pression dans le tuyau sont donc amorties par les variations de volume de la partie remplie d'air. Description du phénomène

1ère phase

2ème phase

3ème phase

4ème phase

Dispositifs « anti-bélier » •

Loi d’ouverture ou de fermeture des vannes

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Volants d’inertie

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Cheminée d’équilibre

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Réservoir à air comprimé

Cheminée d’équilibre

Réservoir à air comprimé

METHODES DE CALCUL INTRODUCTION Les méthodes de calcul «à la main» telles que les épures de Bergeron peuvent être utilisées. Cependant, elles sont très lourdes, longues, fastidieuses et la démarche assez compliquée pour entraîner des risques d’erreur, d’autant qu’elles ne peuvent être envisagées raisonnablement que sur des tronçons simples. On conseillera donc d’utiliser les logiciels existant sur le marché, tout en mettant en garde les utilisateurs de ne prendre ces logiciels que pour des outils de calcul. Ils ne doivent pas empêcher la réflexion ainsi qu’une bonne appréhension du problème. Le chargé d’études devra clairement identifier le logiciel qu’il a utilisé. La fiabilité des résultats fournis par ce logiciel devra pouvoir être vérifiée par le maître d’ouvrage (par le biais d’une liste de référence par exemple). Contrairement à ce que beaucoup de personnes croient, dans le cas d’une station de pompage ,nous rencontrons beaucoup plus souvent des problèmes de dépression. Amplitude de la surpression ou de la dépression H= (aV0)/g

: mCE

• a : Vitesse de propagation de l’onde • g : accélération due à la pesanteur • V0 : Vitesse de l’eau avant le coup de Bélier

Deux remarques importantes à ne pas oublier : 1. L’amplitude de l’onde est indépendante de la hauteur statique mais s’y ajoute et s’y retranche H = H0 ±(aV0)/g 2. Plus la hauteur statique est importante, moins sera grande la protection anti bélier à prévoir Exemple • • • • • • • • • • •

Hgéo.= 80 m PN Tuyauterie 16 bar V0 = 1m/s a = 1000 m/s g =10 m/s2 H= (aV0)/g = 10 bar = 100 mce 1° onde de dépression : 80-100 = -20 mce ( Vide apparition de vapeur saturante, aplatissement, etc.) 1° onde de de surpression : 80+100 = 180 mce 180 mce = 18 bar >16 bar de la tuyauterie

Exemple • Hgéo.= 500 m • • • • • • • • • •

PN Tuyauterie 64 bar V0 = 1m/s a = 1000 m/s g =10 m/s2 H= (aV0)/g = 10 bar = 100 mce 1° onde de dépression : 500-100 = 400 mce 1° onde de de surpression : 500+100 = 600 mce 600 mce = 60 bar < 64 bar

Détermination du volume d’un ballon anti-bélier méthode de Vibert : C'est une méthode graphique simplifiée de détermination du volume d'air. • •

Abstraction des pertes de charge dans les conduites. Non prise en compte de l'organe d'étranglement.

Fonctionnement normal : Z o - la pression absolue en mCE pratiquement égale à : Zo = Hg+10

Hg : étant la hauteur géométrique [m].

U0 : Volume d'air dans la cloche en régime permanent. • v0 : vitesse initiale dans la conduite • L : longueur de la canalisation [m]. • S : section de la conduite (m2).

Détermination du volume d’un ballon anti- bélier

Constatation : On remarque que dans le cas où la conduite est enterrée, le volume du réservoir d'air anti-bélier est inférieur à celui correspondant au cas où la conduite est libre : II en résulte donc une économie sur le dimensionnement de ce moyen de protection. Résumé La réalisation d’études de protection des réseaux d’eau contre les phénomènes de coup de bélier s’avère souvent délicate. Pour que de telles études se passent bien, il est nécessaire que les hypothèses et les scénarios à étudier soient clairement précisés par le maître d’ouvrage.