2.1. Description
Le dispositif expérimental utilisé pour les tests d’érosion est une veine hydrodynamique étroite, de section carrée 160mm 160mm exploitée dans une gamme de vitesse débitante de 0,005m/s à 0,07m/s. Cette veine, réalisée en Plexiglas transparent, permet de réaliser des visualisations détaillées dans différentes sections droites et orthogonales de l’écoulement. L’avantage de l’usage de cette veine hydrodynamique pour les tests d’érosion réside dans sa taille idéale, au-delà d’une échelle micrométrique et en deçà d’une grande échelle (dizaines de centimètres). Elle permet de travailler avec une quantité modérée de sédiment et ainsi de pouvoir réaliser un nombre important d’expériences. Ce canal parallélépipédique peut être utilisé ouvert avec surface libre ou obturé (canal fermé) afin de reproduire différents types de cisaillement. L’instrument permet de générer un cisaillement fluide-sédiment qui peut être incrémenté et ajusté à souhait au moyen de différentes pompes d’alimentation dont les débits peuvent être régulés jusqu’à ce que soit observé le phénomène d'érosion.
Chapitre 3 Une cuve de rétention qui peut contenir jusqu’à 1,55m3 d’eau constitue l’alimentation tampon de la veine. Cuve et veine d’essais sont reliées en boucle fermée afin de générer une circulation stable et permanente de l’écoulement. La circulation fluide est issue d’un système de trois pompes (P1, P2, P3) de type Moineau PCM montées en parallèle qui peuvent être utilisées simultanément ou indépendamment. Dans notre application, seules deux pompes (P2 et P3) suffisent à générer les gammes de vitesses souhaitées. Un débitmètre électromagnétique (PROMAG 10) avec une précision de 0,5% (voir §5.3) permet d’ajuster le débit souhaité. Son principe de fonctionnement basé sur la loi de «Faraday», permet de déterminer la vitesse de circulation du fluide en relevant la tension induite entre deux électrodes de parois. Le débit maximal qui peut être obtenu en utilisant les deux pompes P2 et P3 est de 112,72 dm3/min.
Dans le détail, le fonctionnement de la veine peut être examiné sur 4 zones spécifiques dissociables (fig. 3.4) :
Partie 1 : « zone d’entrée » qui assure l’introduction du fluide dans la veine. La conduite d’alimentation de 20mm en sortie de débitmètre est raccordée à un diffuseur de 70mm de diamètre. Cette singularité est un tube obstrué en son extrémité, percé de 6 orifices radiaux qui génèrent une répartition homogène du fluide dans le divergent d'entrée. Ce divergent dont l’angle au sommet est de 22,5° assure le passage du fluide de la section circulaire d’entrée vers la section carrée de la veine de 160 mm de côté.
Partie 2 : « zone de tranquillisation et d’homogénéisation ». Dans cette partie de la veine, les structures tourbillonnaires sont brisées au moyen de 3 grilles métalliques à mailles très fines. Le fluide passe ensuite à travers un réseau serré de pailles (nid d’abeilles), de 100 mm de longueur, placées parallèlement les unes aux autres afin d’uniformiser et stabiliser l’écoulement.
Partie 3 : « zone de visualisation » au sein de laquelle l’écoulement s’établit. Sa section est de 160 mm de côté sur une zone d’étude de maximum 800 mm de longueur. C’est dans cette portion de la veine que le modèle de sédiment est déposé afin de visualiser et étudier le phénomène d’érosion. Le sédiment est placé au sein d’une cavité, positionnée à 46,5 cm en aval de la zone de tranquillisation, qui peut être occultée à des fins de réglage et de calibrage des paramètres expérimentaux. En phase initiale d’une expérience le sédiment affleure la cavité et définit ainsi, avec la paroi de fond de veine qui la précède et la suit, une continuité de radier.
Partie 4 : « zone de sortie » qui assure l’évacuation du fluide. Elle est constituée d’un convergent raccordé à la conduite de sortie qui se déverse dans la cuve tampon. Le cube gris à droite de la veine permet, après arrêt de la veine, de vidanger rapidement cette dernière sans démontage particulier.
Chapitre 3
Figure 3. 4 : Dispositif expérimental : veine hydrodynamique
2.2. Etalonnage, sections et référentiel d’essais
Etalonnage des pompes
La vitesse nominale moyenne du fluide au cœur de la veine est générée par le débit des pompes de recirculation et ajustée au moyen d’un débitmètre électromagnétique. Les technologies et les positionnements des pompes, les unes par rapport aux autres, sur la boucle d’essais nécessitent un ajustement différentié des débits de chacune. L’étalonnage indispensable de l’apport de chacune d’entre elles sur la vitesse du flux en circulation est mené en moyennant la vitesse relevée sur le domaine « exploitable » de la conduite (section d’étude de 160x150 mm² (*) pour une section de veine de 160x160 mm²).
Les débits obtenus au regard de la puissance de chacune conduisent, dans le cadre de nos expérimentations, à ne faire usage que des pompes P2 et P3 qui permettent de couvrir la gamme des vitesses moyennes débitantes souhaitées. Sur le graphe ci-après, la vitesse souhaitée au sein de la veine est donnée en fonction des pourcentages de puissances de chacune des deux pompes retenues. Dans cette configuration, un nombre de Reynolds maximum de 10796 peut être atteint pour une vitesse maximale de 0,07 m/s (viscosité cinématique de l’eau à 20°, 1,005 10-6 m2/s). À noter que l’eau de la cuve est de l’eau adoucie.
(*) La section de la veine 16cm 16cm est nommée « pleine section » et la section de travail 16cm 15cm est nommée « section d’étude ».
Chapitre 3
Figure 3. 5 : Etalonnage des pompes pour la section d'étude 15cm × 16m
Les vitesses exploitées dans cette étude sont regroupées dans le tableau suivant :
%P(P2) %P(P3) Vd (m/s) 30 0 0,0055 0 7,5 0,0101 30 7,5 0,0155 0 15,1 0,0203 30 15,1 0,0255 0 22,6 0,0305
Tableau 3. 1 : Vitesses débitantes en fonction des pourcentages des puissances des pompes
Dans la suite de ce travail la vitesse débitante affichée Vd sera successivement de 0,005, 0,01, 0,015, 0,02, 0,025 et 0,03 m/s. Toutefois les valeurs réelles données ci-avant seront celles utilisées dans les calculs.
Section de la veine d’étude et référentiel
Un radier de plexiglass de 1 cm d’épaisseur a été rapporté au sein de la veine de 16 16 cm² (pleine section) afin de générer une cavité, potentiel réceptacle du sédiment modèle à étudier. Cette cavité qui peut être remplie de sédiment ou bien occultée lors des phases de calage ou calibrage des paramètres expérimentaux conduit à une section de travail de 16x15cm² nommée « section d’étude ». Noter que visualisations et mesures expérimentales seront principalement menées en proche surface du radier dans la zone sédimentaire afin d’en extraire le maximum d’informations.
Chapitre 3
Figure 3. 6 : Veine et section d'étude
Avant d’effectuer des mesures d’érosion sédimentaire, il est indispensable de connaître au mieux l’écoulement qui sera générateur du phénomène d’érosion au sein de la veine. La première étape de ce travail expérimental est donc de bien connaître, étalonner et qualifier l’outil « veine d’essais ». Afin de figer le référencement de nos mesures, dans la suite de cette étude, le référentiel cartésien (O, x, y, z) est ainsi défini :
- « O » l’origine au plan médian situé à 46,5 cm de l’extrémité du nid d’abeille soit le début de la zone sédimentaire,
- «Ox » le sens de l’écoulement positif de l’entrée vers la sortie de la veine (de la gauche sur la droite sur la figure 3.7),
- « Oz » la largeur sur 16 cm (+8cm et -8cm) d’épaisseur de fluide,
- « Oy » la hauteur de la veine positive de son origine en fond de veine (surface du radier avec cavité de 1cm) jusqu’à la surface de la veine (hauteur maximum de 15 cm).
Figure 3. 7 : Référentiel dans la veine d’essai
Plaque d’épaisseur 1 cm Place de sédiment
Chapitre 3