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ANSWER : ondes de disjonction - essais CNR
Sommaire |
Essais sur modèle physiques dans plusieurs laboratoires
Dans le cadre de l'opération de sciences participatives ANSWER, les élèves de l'ENTPE ont mené plusieurs expérimentations en hydraulique à surface libre qui leur ont été proposé.
C'est ainsi qu'ils se sont rendu:
- au laboratoire d'hydraulique de la Compagne Nationale du Rhône pour étudier les ondes de disjonction des barrages
- au laboratoire deIRSTEA - Lyon pour y étudier les évolutions hydrosédimentaires des fonds de rivière à fond mobile
- au bassin à houle de l'Ecole Centrale de Nantes, pour participer à des essais sur modèle physique concernant le phénomène seiches
Pour l'ensemble de ces essais, les élèves ont exploité les mesures réalisées sur modèles physiques et dans certains cas ont pu procéder à une modélisation analytique afin de confronter mesures et théorie.
Teaser ENTPE - FORM@HYDRO par SHF-hydrochannel
La problématique des ondes de disjonction pour les gestionnaires
Pierre Balayn, ingénieur à la CNR nous donne quelques explications sur les problèmes que posent les ondes de disjonction créées par la fermeture de vannes ou par l'arrêt de turbines.
Ondes de disjonction par SHF-hydrochannel
Essais sur les ondes de disjonction de barrages à la CNR
Le laboratoire de la CNR a accueilli les élèves de l'ENTPE durant une semaine du moi d'octobre 2016. Ils ont procédé à plusieurs mesures dans le canal expérimental.
Afin de rendre compte de leurs travaux, ils ont souhaité mettre en image quelques uns de leurs résultats sous la forme ludique représentée dans le clip ci-dessous.
Essais sur canal hydraulique à la CNR par SHF-hydrochannel
La théorie de la rupture de barrages et de l'évolution de la surface libre est donnée dans la page ICI .
Exploitation des Essais CNR
Les expériences menées à la CNR visaient à mettre en évidence et étudier les caractéristiques principales des ondes de disjonction crées lors de l’ouverture ou de la fermeture brusque d’une vanne. Si ces deux cas entrainent la création d’une onde positive et d’une onde négative, c’est principalement l’onde positive qui a été étudiée, l’onde négative étant, par nature, plus difficile à mettre en évidence.
Les essais ont été répartis sur deux journées, le 18 octobre 2016 et le 20 octobre et concernaient respectivement le cas de fermeture puis d’ouverture de vanne.
Caractéristiques du canal
Le canal utilisé dans les locaux de la CNR mesure 6 m de long et a une section (l × h) de 75 × 150 mm. La pompe permet de faire varier le débit jusqu’à 16 m3/h. Un vérin permet de régler la pente du canal de -2 % à 4 %.
Pour la génération des ondes, il est équipé d’une vanne verticale guillotine fixe à l’aval et de différents accessoires comme une vanne verticale guillotine mobile. La vanne fixe est automatisée. Ses mouvements sont contrôlés au niveau d’un tableau de commande permettant notamment de faire varier sa vitesse. La vanne mobile est quant à elle moins précise et doit être utilisée à la main.
Pour l’étude de l’écoulement, les parois du canal sont transparentes et il est équipé de trois capteurs à ultrason permettant de mesurer de la hauteur d’eau amont, centrale et aval.
Expériences du 18 octobre 2016 : fermeture brusque d’une vanne
La fermeture brusque d’une vanne entraine la création d’une onde positive d’aval et d’une onde négative d’amont. C’est ici l’onde positive d’aval qui a été étudiée.
Pour générer les ondes, la vanne guillotine fixe aval a été utilisée car elle offre, outre un positionnement idéal pour le problème, la possibilité de faire varier la vitesse de fermeture. Au début de chaque essai, la vanne était complètement ouverte.
9 types d’essais ont été menés en faisant varier le débit (et donc les hauteurs d’eau initiales) et la vitesse de fermeture de la vanne. Chaque type d’essais a été reproduit 3 fois. Les caractéristiques des différents essais ainsi que les résultats moyens par type sont recensés dans le tableau suivant :
- ESSAI n° Pente Débit m³/h Vitesse de fermeture Hauteur initiale (cm) Célérité mesurée (m/s) Hauteur de l'onde mesurée (cm)
Ces mesures mettent en évidence que le débit, et la hauteur d’eau initiale liée, ont un rôle important dans les caractéristiques des ondes générées. La vitesse de fermeture a un impact plus difficile à appréhender. Comme cela est expliqué plus bas, elle influence grandement l’amplitude des ondes secondaires.
La théorie présentée par Graf donne une bonne approximation des caractéristiques des ondes obtenues, malgré les incertitudes liées aux mesures et aux manipulations. La comparaison a été réalisée en considérant un débit final nul. Par ailleurs, cette théorie ne prenant pas en compte la vitesse de fermeture de la vanne, seuls 3 cas ont été comparés. Le cas de fermeture rapide étant le plus proche théoriquement, il a été retenu pour la comparaison. Les résultats sont recensés dans le tableau suivant :
- ESSAI n° / Débit m³/h Hauteur initiale (cm) Célérité mesurée (m/s) Hauteur de l'onde mesurée (cm) Hauteur d’onde théorique (cm) Célérité théorique (m/s)
La différence est principalement localisée au niveau des hauteurs d’onde, éléments relativement difficiles à estimer sur les relevés de mesures. Cette difficulté est fortement liée à la présence d’ondes secondaires. En effet, les ondes de disjonction étudiées sont des ondes primaires sur lesquelles se superposent en réalité des ondes secondaires qui modifient considérablement la forme et l’amplitude de l’onde de disjonction. La théorie expliquant ces ondes secondaires est encore peu connue et leur modélisation fait encore l’objet de recherches. Les graphiques en annexe 1 montrent clairement la présence de ces ondes secondaires. Il apparait que la vitesse de fermeture de la vanne a une influence importante sur leur amplitude.
Expérience du 20 octobre 2016 : ouverture brusque d’une vanne
L’ouverture brusque d’une vanne entraine la création d’une onde négative d’aval et d’une onde positive d’amont. Pour cette série d’expériences c’est la vanne mobile qui a été utilisée afin de pouvoir obtenir, pour chaque essai, deux mesures par ultrason de l’onde positive d’amont. Ces deux points de mesure offrent ainsi la possibilité d’étudier les différentes caractéristiques du front d’onde.
33 essais ont ainsi été menés en faisant varier le débit, la pente ainsi que les hauteurs d’eau initiales. Les caractéristiques et résultats des différents essais sont recensées dans le tableau suivant :
Ces expériences montrent clairement la formation de l’onde positive. De nombreux essais sont cependant difficilement interprétables. Cela est partiellement lié à la difficulté de réaliser une ouverture propre avec la vanne guillotine mobile. Par ailleurs, la fréquence d’acquisition des capteurs vient également compliquer la mesure des hauteurs. Pour cette série d’expérience, il n’a en effet pas été possible d’obtenir plus de 10 mesures par seconde. Il est ainsi souvent compliqué de distinguer la hauteur réelle de l’onde. C’est pourquoi, lorsque le front d’onde apparaissait clairement, sa hauteur est indiquée. Dans le cas contraire, c’est la hauteur maximale de l’onde courbe qui est indiquée.
En raison de l’utilisation d’une vanne parfois peu étanche et pour laquelle ne sont pas connus précisément les caractéristiques (coefficient de débit, ...), il est compliqué de connaitre la vitesse initiale amont et aval et donc de pouvoir établir une comparaison pertinente avec la théorie. Cependant, différents essais ont été réalisés avec un débit et une pente nuls. Pour ces essais, il est possible de comparer les résultats avec ceux obtenus par la théorie de Stocker du cas de rupture de barrage. On constate que, malgré les incertitudes liées aux mesures et aux manipulations, la théorie de Stocker donne des résultats très proches des mesures expérimentales.
Enseignements à tirer et propositions de poursuite
Ces premiers essais ont constitué pour les étudiants de l'ENTPE une initiation aux manips sur le canal expérimental de la CNR. Il s'est agi au départ de prendre la suite du travail effectué par Laurianne Curty dans le cadre d'un TFE effectué à l'ENGEES de Strasbourg. Cependant, l'engouement manifesté par les étudiants a donné lieu à la réalisation d'essais qui n'ont pas tout à fait répondu à la demande mais qui ont alimenté leur curiosité. A ce titre, c'est vraiment un succès : les élèves ont pris en main leur travaux et leur exploitation.
Les essais réalisés ont été très riches et ont permis de confronter les mesures aux théories en vigueur : essentiellement celles de Ritter et Stocker, mais ont ouvert de nouvelles perspectives. En particulier, plusieurs compléments peuvent être envisageables qui pourraient constituer une suite de cette campagne, à réaliser soit par la promotion de l'ENTPE future, ou par tout ensemble d'étudiants ou de professionnels motivés. Voici quelques pistes de réflexion:
- les enregistrements par 3 capteurs bien répartis dans le canal ont été fait avec une fréquence de 10 hz, ce qui n'est pas suffisant pour faire une analyse spectrale des ondes de Favre. Il faudrait au moins doubler, voire tripler la fréquence d'acquisition. Ceci permettrait d'identifier les diverses fréquences disponibles.
- la comparaison avec les théories de Ritter et de Stoker a été réalisée uniquement sur des essais à pente nulle, ce qui n'a concerné qu'un nombre très limité de manips. Malgré la présence d'un courant (qui sort du domaine de validité de ces théories), les mesures sont assez proches des résultats théoriques. Cependant, il faudrait compléter la page théorique par des publications plus récentes (B. Hunt notamment) pour prendre en compte la pente du fond et leur rugosité. Ceci permettrait d'exploiter davantage d'essais sur le canal et d'en réaliser d'autres, en étant plus exigeant sur les conditions de réalisation : présente de courant, pente, localisation des mesures, étanchéité de la vanne...
- ces manips sur les ondes de disjonctions sont intéressantes à plusieurs titres. Elles permettent aux étudiants de se familiariser avec des problèmes expérimentaux, l'incertitude des mesures et la nécessité de les réaliser en fonction de besoins spécifiques, à partir d'une commande aussi légère soit-elle (et c'est tout l'intérêt pour la formation). Par ailleurs, leur interprétation dans des configurations très schématiques, comme sur le canal expérimental, permet une compréhension rapide non seulement de la dynamique des écoulements (les étudiants ont apprécié de "toucher l'eau") mais également de la résolution analytique des problèmes complexes qui ne sont pas toujours résolubles par des codes de calcul industriels (notamment pour les ondes positives qui s'accompagnent de ressauts hydrauliques).
Bibliographie
- Ritter, 1951,
- Stoker A., 1975, "Water waves", Intersciences Pub. Inc. New York, USA
- Hunt B., 1984a, Perturbation solution for dam-break floods. Journal of hydraulic Engineering, Vol. 110, N°8, pp. 1058-1071
- Hunt B., 1984b, Dam-break solution. Journal of hydraulic Engineering, Vol. 110, N°6, pp. 675-686
- Hydraulique fluviale - vol. 16 - Ecoulement et phénomènes de transport dans les canaux à géométrie simple, 628 p., Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2000
- Laurianne Curty, "Modélisation Numérique des Ondes de Favre"", Mémoire de fin d'études, ENGEES 08-2014, 74 p
Les auteurs
- Jean-Michel Tanguy : SHF
- William Pophilat : ENTPE - étudiant
- Chloé Mathy : ENTPE - étudiante
- Angeline Dufaÿ : ENTPE - étudiante
- Emmanuelle Dupont - étudiante
Remerciements
Les auteurs expriment leurs remerciements à :
- CNR
- Laurence Duchenne, Pierre Roumieu et Pierre Balayn ainsi qu'à tous les personnels de la CNR qui ont aidé à la réalisation de ces essais
- ENTPE
- Bernard Clément responsable du projet FORM@HYDRO
