[PDF] Les modèles physiques en hydraulique urbaine

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Physicalmodelslnurbanhydraulics

parM.Martaud,S.Heywood types ofinfrastructure,includingpumpingstations,treatmentfacilitiesandthe morecomplexsewersystem components.Modelscanservenotonlytocheck andadjustthedesignofnewworkspriortotheir andtestedbeforehandonthe model. constraintsset byPhysicalScienceonthedesign,constructionanduseofthemodel,which willbecrucial tothesuccess andonthecontentsofthereporttobe submittedtotheclient.

Thefinalpart

ofthispaperdealswithpumpingstations,treatmentworksandthe morecomplexnetwork offacilityaredescribedaswellasparticular aspects

1 •INTRODUCTION

laréussitetechnique desonopération:leprojetproposépar ouamendéjusqu'à hydrauliquenesouffrirapasdemises aupoint,parfoisdiffi réceptiondel'ouvrage.

Eneffet,

surdesouvragesconçusuniquement enappliquantlesrègles conduitSAFEGEàproposer, enpartenariatavecHydraulic existantsd'hydrauliqueurbaine. d'orage,siphons,etc

Lemodèlephysiqueintervient,dans

ledéroulementd'une tionduCCTP.

Lerecours

aumodèlephysiqueenphasedeconception estnécessairedanstouslescontextes: -pourdesouvragesdont lebonfonctionnementeststraté- gique(soit auplanduservicerenduaupublicsoitauplan

économique);

sionsoudesmodifications; vientpasàrésoudre. ouvragesréalisésrécemment enFranceetàl'étranger. 1

LAHOUILLEBLANCHEIN°1-1999

-----1·-------'Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1999009

(3)

II•CATÉGORIEDEMODÈLESEM

PLOYÉSENHYDRAULIQUEURBAINE

similaire desautres,lemodèleestditdistordu.

Leslimitesmatérielles

d'unmodèlephysiqueet,particu quisontemployésenhydrauliqueurbaine. comportementduprototype e)indépendammentdutemps tionnaire

III•CONTRAINTESDERÉALISATION

DUPROTOTYPEÀL'ÉCHELLE

prototype. plusbanalementappeléeéchelle. constant. (1)

Notations:

- V :vitessedansleprototype; vitessedanslemodèle; -Ev:échelledesvitesses. loifon damentaledeladynamique. F

·E'E-

2 FmIt m

Notations:

F:forcedansleprototype;

F",:forcedanslemodèle;

E m:

échelledesmasses;

El:échelledeslongueurs;

E,:échelledestemps.

physique que nepeuventêtreobtenues silasimilitudegéométriquen'est mesuresetdesconclusionstirées del'étudesurmodèle. réalisationdesaccessoiresdumodèle.

C'estunecontrainte

quis'ajoute decuragedecanauxoud'égout. du fonctionnementdumodèlemaisaussiàl'expérimenta teur.Cependant,

IV•CRITÈRESDESIMILITUDEPHY

sIQuEPOURCONCEVOIRUN

MODÈLE

lesécoulements

Notations:

-Ev:échelledesvitesses; -El:échelledeslongueurs; -E,:échelledestemps. prototypeserareproduit fidèlementsurlemodèle.Atitre lemodèleréduitconstruiten laboratoire. n'ontpasles unedesclésdelaréussite d'uneétudesurmodèlephysique. LA

HomctEBLANCHE/N°1·1999

jeu sont: lesforcesd'inertie; lesforcesdeturbulence; lesforcesdeviscosité; l'actiondelapesanteur; lacapillarité. changepourchacunedecescatégories: F

2.=E.E.E-2(4)

Fmi1 m

Tableau1.-Listedesprincipauxnombres

adimensionnels.

NombreCaractéristiques

EulerRelationentrelesforcesd'inertie

etlapression

FroudeRelationentrelesforcesd'inertie

etl'actiondelapesanteur

ReynoldsRelationentrelesforcesd'inertie

etlaviscosité

WeberRelationentrelesforcesd'inertie

etlatensionsuperficielle

CauchyRelationentrelesforcesd'inertie

etl'élasticité

RossbyRelationentrelesforcesd'inertie

etlaforcedeCoriolis etlesforcesd'originethermodynamique

StrouhalRelationentrelesforcesd'inertie

pourlesforcesdeturbulence; F

2.=E.E'E-

2 Fmi1 m pourlesforcesdeviscosité; F ;=.Èi.E,-1 m pour l'actiondelapesanteur;

F',,=E·E!·E

Fp18 m

Notations:

- F:forcedansleprototype; :forcedanslemodèle; E m:

échelledesmasses;

El:échelledeslongueurs;

E m:

échelledesviscositésdynamiques;

Er:échelledesmassesvolumiques;

échelledestemps.

•4.2

Nombresadimensionnels

(5) (6) (7) turbulence,cequiexplique l'absencedenombreadimen etdetur

Onmontre[2][3]que

c'estl'opérationquiconsisteà sélectionnerlesforcesdontl'action estprépondérantequi raccourcioù l'onannoncetoutdesuitelenombreadimen •4.3 rés négligéesenhydrauliquepuisqu'ily atoujoursunemasse v•APPLICATIONAUXMODÈLES

RÉDUITSD'HYDRAULIQUEURBAINE

•5.1Similitudesphysiquesusuelles

LongueurE,ElE,E,

Temps E'/2 8/2 E,, 1

Vitesse

E'/2E-lE-l/2

1 1 1

Débits

E5/2 E,8 12 1

ForcesFJ

E-l 1

PressionsE,

E-2E-l

1 11

Notations:

K:coefficientdeGauklerManning(m

I/3 .s);

1:penteduchenal(m/m);

forme,s'exprimepar: (8)

Notations:

-V m: (rn/s); (m I/3 .s); -1:penteduchenal(rn/m); -R m: modèle (m); latensionsuperficiellejoue unrôlenégligeableoutantque laturbulenceetl'inertie neprennentpasuneplaceprépon uncorps entièrementnoyé. •5.2

SeuildeReynolds

duseuil graphesquisuivent.

Lapertedechargedans

unouvragequelconquefonction nantencharges'exprimeparlarelation:

À.*cl

D2'g V=K.K 2J3 }.!J m m mVI

K=K'E,J/6}

m/ (10) (Il)

Notations:

- } :pertedecharge(rn/m); -À.*:coefficientdepertedecharge; - D:diamètrehydrauliquedelasectiondepassage(m); - g:accélérationdelapesanteur(9,81rn/s 2 deReynolds(noté

Rdanslasuitedecetexte)etdelarugo

leprototypeetsurlemodèleimposeque

À.*soitlemême

surleprototypeetsurlemodèle.

Lediagramme

À.*=f(R)montrequepourunerugosité

relativedonnée, de seuildeReynolds.

Lecoefficient

leprototype litudedeFroudemême silesnombresdeReynoldsnesont

Toutefois,

silenombredeReynoldsapproche,surla régimeslaminaire etturbulent,unécoulementlaminaire onpourraitobserver unrégimetransitoireouturbulent.Cela estinacceptableet ilfautalorschoisirunnombredeRey autre. que leslignesd'énergie, ilfautdoncadopteruncoefficientde

Gaukler-Manning(qui

n'estpasunparamètresansdimen 55m
I/3 tiondecollecteurdeceréseau, lecoefficientKmdoitdonc

êtreégalà72m

113s.
sité. l'étalonnage dumodèle. .5.4Notiond'effetd'échelle

C'estlecaspar

exemple leprototypeet lemodèle). duchoix similitudephysiqueemployée). •5.5

Choixd'uneéchellepourunmodèle

radse. par: V=K.K 2J3 )•Jï(9)

Ilexisteplu

sieurséchellespossiblespour unmêmemodèle,del'échelle etc...

LAHOUILLEBLANCHEIN°hl999

VI•ANATOMIED'UNESSAISURMO

DÈLEPHYSIQUE

menttardivementdanslaphase deconceptionetconduisent ilnefaut pastroptarderpoureffectuer l'étudesurmodèlecarc'est l'avant-projetsommaire.

Quellequesoitcettepériode,

ilestclairquel'étudesur d'exé l'étude ouvrages,cetobjectif n'estpasnécessairementconciliable d'offre: tiondesdimensionsdesouvrages. dumaître mêmeniveaudegarantie derésultatsqueceluiassurépar sonmaîtred'oeuvre.

Ilestdoncclairqu'unevariantemajeure

d'unnou veaumodèlephysique. •6.2Conceptiondumodèle d'unouvrage d'hydrauliqueurbaine: -lechampéloigné: ilcontientlesouvragesd'amenée; l'ouvrage; del'ouvrage. modéliséestfixéavant d'exécuterlemodèle.L'auteurdu doitêtre pour savoirreconnaîtrelespointsfaiblesdesonprojet.Il physiqued'ouvraged'hydrauliqueurbaine. Dans ventdeconditionsauxlimites surlepetit.Iln'existepas del'appel lisé,

êtrenettementamoindrie

silerecoursàlamodélisationphy son maître mêmetempsquelaréflexionquiconduit

àladélimitation

destroispérimètresdéfinisplus haut:lechampéloigné,le champ

6.2.2Dessinsdeconceptionetd'exécution

d'ouvrageouparsonmaîtred'oeuvre.

Ilestnécessaireque

lesplans l'étude dessinelesplansdefabricationdumodèle. sensque quecessimplificationsnenuirontpasà l'objetdel'étude. •6.3Constructiondumodèle

Lesmodèlescomportentdeuxparties:

-lemodèleréduitdel'ouvrageobjetde l'étude; ceque opérationdemesureet deréglageparticulièrementsimpleet

Lesmodèles

sontinstalléssurdesestradesenboisde touteslesparoissontenPlexiglas.

Lasituationdumodèleen

notamment delaveineliquide. qui très

LAHOUILLEBLANCHE/N°1·1999

Eau (13) modèleen tants. .6.4Essais travailàl'observation.

Ils'agitderegarderpourconnaître,

deconnaîtrepourcomprendre,de comprendrepourinterpré compriscequ'ilobserve.Acestadeseulement, ilpeutfaire moinsdeuxréunionstechniques: -réceptiondelapremièrephase d'étude:diagnosticdu projetdanssonétatinitial; sonmaître soins... •6.5Synthèsedestravaux

Cesdernièressontdescaptures

d'imageeffectuéessurla auxretouchesdesonprojet.

Lerapport estaccompagné

d'undiaporamaetd'unecas ventàillustrerle

VII•STATIONSDEPOMPAGE

desexpériences estuniformeetparfaitementaxial.

Ilenestrarementainsi

champdevitesseidéalsontdedeuxtypes: -existence d'unecomposantetangentielledanslechamp devitesse; vitessemoyenne. théoriqueannoncéeparlecourbier.

Ilestnécessairedemain

du typederoueinstalléesurlamachine. lacavitation.

Desperturbations

duchampdevitessepeuventaussidon nernaissanceàdesvortex.

Unvortextotalementdéveloppé

d'airpeuvent aller jusqu'àdésamorcerunepompe. conditions,lejetincidentpercelasurface dupland'eauet entraîneavecluiunecertainequantité d'airdisperséedans lité, .7.2Prérotation

7.2.1Mesure

la le systèmed'équationsci-dessous, ilestpositifsilemouve mentderotations'effectuedans lemêmesensqueceluide laroue, ilestnégatifdanslecascontraire.

2·Jt·n

(12)

4·Q

V=- aJt.cf

Notations:

8:angledeprérotation;

net (mis); -Va:vitesseaxialed'écoulement(mis); rrlongueurdel'ailettedumoulinet(m); - n:nombredetoursparminutedumoulinet; 3 /s);

élevée.Onpourraadmettreunevaleurde

5"pourdesroues

supérieureà170). •7.3Vorticité jourssurlarouedelamachine.

Lesvortexquiapparaissentàlasurface

dupland'eau gésquinaissentsuruneparoiousur unradierouencorequi coeurquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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