Perte de charge et résistance hydraulique

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Calculer les pertes de charges et les résistances hydrauliques

Les pertes d’énergie dans l’écoulement d’un fluide est liée à la viscosité du liquide, mais la viscosité elle-même n’est pas le seul facteur déterminant la perte de charge. Mais on peut soutenir que l’ampleur de la perte de charge est presque toujours proportionnelle au carré de la vitesse moyenne du fluide. 

Cette hypothèse est confirmée par les résultats de la plupart des travaux expérimentaux et des expériences spécialement mises en scène. Pour cette raison, les pertes de charge sont généralement calculées en fonction de la charge de vitesse (énergie cinétique spécifique de l’écoulement). Alors :

Naturellement, les parois solides empêchent la libre circulation du liquide. Par conséquent, avec le mouvement relatif des surfaces fluides et solides, des résistances hydrauliques apparaissent inévitablement. Une partie de l’énergie d’écoulement est dépensée pour surmonter les résistances qui en résultent. 

Cette perte d’énergie est appelée perte hydraulique d’énergie spécifique ou pertes de  charge. Les pertes hydrauliques sont principalement associées au dépassement des forces de frottement dans l’écoulement et dépendent d’un certain nombre de facteurs, dont les principaux sont :

Les pertes hydrauliques sont pratiquement indépendantes de la pression dans le liquide.

Lorsque l’on considère un tuyau avec deux sections 1 et 2 avec la même superficie а sections transversales, la différence de hauteur de nivellement Z1 et Z2, la perte d’énergie spécifique peut être considérée sous la forme de

Les expériences montrent que dans de nombreux cas, les pertes d’énergie sont directement proportionnelles au carré du débit du fluide, de sorte qu’en hydraulique, il est habituel d’exprimer l’énergie perdue en fractions de l’énergie cinétique attribuée au poids unitaire du liquide.

Ɛ̧ est le coefficient de frottement.

Ainsi, le coefficient de résistance peut être défini comme le rapport de la hauteur perdue à la hauteur de vitesse.

Pertes de charge singulière sur résistances hydrauliques locales

Résistance hydraulique singulières

Les résistances hydrauliques locales sont toutes les sections du système hydraulique où il y a des virages, des obstacles, une dilatation ou un rétrécissement, provoquant un changement soudain du profil de l’écoulement. Des exemples de résistances locales peuvent être les courbures de l’axe de la canalisation, les modifications des sections de passage de tout appareil hydraulique, les joints des canalisations, etc.

Élargissement soudain d’une conduite :

L’expansion soudaine du canal peut être souvent observée à la jonction des sections de pipeline. La valeur du coefficient de perte de charge est déterminée avec une précision suffisante au niveau théorique.

L’écoulement de liquide circulant dans une canalisation de plus petit diamètre d, tombant dans un tuyau d’un diamètre plus grand, ne touche pas immédiatement les parois de la nouvelle section de la canalisation, mais seulement dans une section tranversale de 2-2′.

Dans la zone comprise entre les sections 1 – G et 2-2′, une zone est formée dans laquelle le liquide ne participe pratiquement pas au mouvement à travers les tuyaux, formant un flux de vortex local, où il subit une déformation. Pour cette raison, une partie de l’énergie cinétique du fluide en mouvement est dépensée pour maintenir la fusion et la déformation « parasites » du liquide. Les valeurs des vitesses moyennes du liquide dans les sections peuvent être déterminées à partir de la condition de continuité.

Ainsi, on peut dire que la perte de hauteur lors d’une expansion brusque de l’écoulement est égale à la hauteur de vitesse correspondant à la vitesse perdue.

Expansion en douceur d’une conduite (diffuseur) :

L’expansion en douceur de la conduite s’appelle un diffuseur. L’écoulement du fluide dans le diffuseur est complexe. Étant donné que la section vivante du flux augmente progressivement, la vitesse du fluide diminue en conséquence et la pression augmente. ­

Rétrécissement soudain d’une conduite :

Avec un rétrécissement soudain du canal, l’écoulement de liquide se détache des parois.

Dans cette région d’écoulement, deux zones de formation de tourbillons intenses se forment (à la fois dans une large section du tuyau et dans une section étroite), ce qui donne lieu, comme dans le cas précédent, a l’apparition de pertes de charge. Celle-ci se composent de deux composantes (pertes par frottement et pertes de rétrécissement).

Rétrécissement en douceur d’une conduite

Le  rétrécissement en douceur du canal est obtenu à l’aide d’une section conique appelée confuseur. Les pertes de tête dans le confuseur se forment presque en raison du frottement, car la formation de vortex dans le confuseur est pratiquement absente. Le coefficient de perte de charge dans le confuseur peut être déterminé par la formule:

Pour un grand angle de cône >50°, le coefficient de perte de charge peut être déterminé  avec l’introduction dans la formule d’un coefficient correcteur km.

Entrée normale du tuyau

A partir des réservoirs où les liquides sont stockés, l’entrée du pipeline de décharge est effectuée dans la version dite normale, c’est-à-dire lorsque l’axe du tuyau de dérivation du pipeline est situé normalement sur la paroi latérale du réservoir. Ce type de résistance hydraulique peut également être attribué aux résistances associées au changement de taille du canal. Les dimensions du nouveau canal sont infinitésimales par rapport aux dimensions du canal d’origine avec la section transversale du réservoir. 

Dans ce cas, à l’intérieur du tuyau de dérivation de jet, le liquide qui s’écoule du réservoir remplit toute la section du tuyau non pas immédiatement, mais seulement à une certaine distance de l’entrée. Dans la zone stagnante, une partie du liquide effectue un mouvement de rotation et le vortex ainsi créé génère des g supplémentaires.

 

Le rapport de perte de charge est d’environ la moitié de la hauteur de vitesse : Ɛ̧ = 0,5

Sortie de tuyau dans un liquide en repos

Il s’agit d’un élément commun à la connexion de la partie pression du pipeline avec le réservoir. Le tuyau d’entrée du pipeline est situé normalement sur la paroi latérale du réservoir. Ce type de résistance hydraulique peut également être considéré comme une sorte d’expansion soudaine de l’écoulement du fluide vers une section infiniment grande. La valeur du coefficient de perte de charge, dans la plupart des cas, est considérée comme égale à une hauteur de vitesse.

Coude rectangulaire à 90°

Sous une telle résistance hydraulique, nous comprendrons le lieu de connexion des pipelines de même diamètre, auxquels les lignes centrales des pipelines ne coïncident pas, elles forment donc un certain angle entre elles. Cet angle est appelé l’angle de rotation du canal, car ici la direction du mouvement du liquide change. Les fondements physiques du processus de conversion de l’énergie cinétique lors de la rotation du flux sont assez complexes et ne doivent être considérés que comme le résultat de ces processus. Donc, lors du passage, une forme d’écoulement complexe avec deux zones de mouvement du fluide vortex se forme. Il convient de noter que ce coude en tant qu’élément de connexion est extrêmement indésirable en raison de la perte importante de charge dans ce type de connexion.

Rotation fluide des canaux

Ce type de résistance hydraulique peut être considéré comme plus favorable économiquement en termes d’ampleur des pertes de charge, car dans ce cas, il n’y a pratiquement pas de zones dangereuses pour la formation d’un mouvement intense du fluide. Néanmoins, sous l’influence du fait que lorsque l’écoulement est tourné, des forces centrifuges apparaissent qui contribuent à la séparation des particules liquides de la paroi du tuyau, des zones de vortex apparaissent toujours. En outre,  Dans ce cas, il y a des contre-écoulements de liquide dirigés de la paroi interne du tuyau vers la paroi extérieure du tuyau.

Vanne

Les vannes-vannes sont souvent utilisées comme moyen de réguler les caractéristiques du débit du fluide (débit, tête, vitesse). En présence d’une vanne dans la canalisation, le flux autour de la vanne ralentit grandement. Ce flux conduit à l’apparition de vortex près des matrices de vanne. Le coefficient de perte de charge dépend du degré de fermeture de la vanne : a/d

Registre

Les vannes-vannes sont souvent utilisées comme moyen de réguler les caractéristiques du débit du fluide (débit, tête, vitesse). En présence d’une vanne dans la canalisation, le flux autour de la vanne ralentit grandement. Ce flux conduit à l’apparition de vortex près des matrices de vanne. Le coefficient de perte de charge dépend du degré de fermeture de la vanne

Clapets anti-retour et filtres

Les coefficients de perte de tête sont généralement déterminés expérimentalement. 

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