ANSWER : ondes de disjonction - essais CNR

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 positive d’amont et d’une onde négative d’aval. Les mesures par ultrason sont ici centrées sur l’onde positive d’mont. Afin d’obtenir différentes mesures de l’onde positive d’amont, seule la vanne mobile pouvait ici être utilisée. La célérité de l’onde négative (au niveau de son sommet) a été étudiée par analyse des vidéos.

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.

ANNEXE : vidéos des essais

CNR essais 1 à 3 par SHF-hydrochannel	Essais 4 à 6 par SHF-hydrochannel	CNR essais 7 à 9 par SHF-hydrochannel
CNR essais 10 à 12 par SHF-hydrochannel	CNR essais 13 à 15 par SHF-hydrochannel	CNR essais 16 à 18 par SHF-hydrochannel
Texte de la cellule	Texte de la cellule	Texte de la cellule
Texte de la cellule	Texte de la cellule	Texte de la cellule