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ANNALES DE LA FACULTĂ DES SCIENCES DE TOULOUSE
C. CAMICHELRecherches sur les conduites possĂ©dant des rĂ©servoirs dâairAnnales de la facultĂ© des sciences de Toulouse 3e sĂ©rie, tome 10 (1918), p. 221-259<http://www.numdam.org/item?id=AFST_1918_3_10__221_0>
© Université Paul Sabatier, 1918, tous droits réservés.
LâaccĂšs aux archives de la revue « Annales de la facultĂ© des sciences de Toulouse »(http://picard.ups-tlse.fr/~annales/) implique lâaccord avec les conditions gĂ©nĂ©rales dâutilisa-tion (http://www.numdam.org/conditions). Toute utilisation commerciale ou impression sys-tĂ©matique est constitutive dâune infraction pĂ©nale. Toute copie ou impression de ce fi-chier doit contenir la prĂ©sente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programmeNumérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
RECHERCHES
SUR LES
CONDUITES POSSĂDANT DES RĂSERVOIRS DâAIR(I)
PAR M. C. CAMICHEL.
~ . Les recherches qui vont ĂȘtre rĂ©sumĂ©es ont eu lieu tout au dĂ©but du travail sur
,les coups de bĂ©lier, fait en collaboration avec MM. Eydoux et Gariel (~). Bien quâelles ,
soient dĂ©jĂ anciennes, je croisâ nĂ©cessaire de les publier, car elles montrent dâune
façon prĂ©cise les mĂ©thodes qui ont Ă©tĂ© suivies au cours de ce travail; leur but a Ă©tĂ©de prĂ©parer ces mĂ©thodes plutĂŽt que dâĂ©tudier complĂštement le problĂšme des rĂ©ser-voirs dâair.
â
. Au moment oĂč nous avons commencĂ© nos recherches, MM. Joukowski, Allievi
et de Sparre avaient donné des coups de bélier une théorie à peu prÚs complÚte,mais les vérifications expérimentales manquaient. Les essais que Joukowski, avaitfait exécuter à Pétrograd étaient peu nombreux et ses graphiques présentaient des
. perturbations trĂšs grandes; des expĂ©riences plus rĂ©centes donnaient avec calcul desdiffĂ©rences de 30 0/0. Dâailleurs les conduites industrielles prĂ©sentaient ,des anoma-lies curieuses, qui avaient conduit Ă admettre une vitesse de propagation de lâonde ,
augmentant avec la pression.â Dans les premiĂšres expĂ©riences que jâai effectuĂ©es Ă lâInstitut Ă©lectrotechnique de~Toulouse,~ jâai dâabord employĂ© une conduite de 300 millimĂštres de diamĂštre, 5 mil-limĂštres dâĂ©paisseur et de 3o mĂštres de longueur. Cette conduite alimente trois tur-bines. En plaçant Ă son extrĂ©mitĂ© aval un indicateur Crosby jâai obtenu comme gra-phique de fermeture brusque des courbes arrondies, comme par exemple
~
IE - 1 6 , ~f9~ ~)
trÚs différentes de celles que la théorie permettait de prévoir. ,
â
(â) Ce travail a Ă©tĂ© fait grĂące Ă des subventions du MinistĂšre des Travaux Publics, de laSociĂ©tĂ© Hydrotechnique de France et de la Direciion des recherches scientifiques et indus-trielles du MinistĂšre de lâInstruction Publique.
â
. (ââ) C. Camichel, D. Eydoux et M. Gariel, Ătude thĂ©orique et expĂ©rimentale des coups debĂ©lier.
222
La pĂ©riode de la conduite ainsi dĂ©terminĂ©e ne correspond nullement Ă la valeur4L, L dĂ©signant la longueur de la conduite et a la vit sse de propagation de lâonde,elle est beaucoup plus considĂ©rable. Les courbes de surpression varient dâailleurs.-dâune expĂ©rienee Ă lâautre, et se modifient profondĂ©ment, quand on fait dĂ©biter la.conduite entre deux essais, mais elles ne donnent jamais la pĂ©riode thĂ©orique.
FIG. I . - JE- 16. Courbe des surpressions Ă lâextrĂ©mitĂ© dâune conduitepossĂ©dant,plusieurs poches dâair.
Comme la conduite a une portion horizontale assez longue et quâelle possĂšde.quatre robinets vannes, il Ă©tait naturel de penser que lâaugmentation de pĂ©riode et.la complexitĂ© des courbes de surpression provenaient de poches dâair situĂ©es dans laconduite. ,
LâĂ©tude des conduites munies de rĂ©servoirs dâair mâa montrĂ© que cette hypo-thĂšse Ă©tait exacte. Jâai pu en dĂ©duire les conditions dans lesquelles il fallait se placer .
pour obtenir une conduite bien dĂ©finie (voir Publications de lâInstitut Ă©lectrotech-nique, t. I, p. i4). _
AprĂšs avoir obtenu une conduite entiĂšrement purgĂ©e, il mâa Ă©tĂ© possible dâintro-duire dans celle-ci des volumes dâair bien dĂ©terminĂ©s, en des points Ă©galement biendĂ©terminĂ©s.
En Ă©tudiant les conduites Ă caractĂ©ristiques variables bien purgĂ©es jâai pu recher--cher la cause de la pĂ©riode apparente que prĂ©sentent celles-ci et lâexpliquer en
appliquant les formules de M. de Sparre. _
Enfin, lâemploi de conduites bien dĂ©finies mâa permis dâĂ©tudier les mĂ©thodes quiont Ă©tĂ© ultĂ©rieurement employĂ©es dans diverses recherches et en particulier Ă Soulom :
MĂ©thode de la d.Ă©pression brusque ; â
Analyse dâune conduite par le robinet tournant ; â
Clapet automatique, etc..
Le travail qui va suivre contient les paragraphes suivants :
. VĂ©rification expĂ©rimentale des formules de M. Rateau, relatives Ă une con-duite munie Ă son extrĂ©mitĂ© aval dâune poche dâair dâun volume tel que la com-pressibllitĂ© de lâeau et la dilatation de lâenveloppe soient nĂ©gligeables.
Extension des formules de M. Rateau au cas de n poches dâair; cas de deux
poches dâair, dont lâune situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© aval. â °
Calcul des grands coups de bĂ©lier dans les conduites munies dâune poche.dâair Ă leur extrĂ©mitĂ© aval.
Application simultanée des équations de MM. Allievi et Rùteau.
Ăquations permettant dâĂ©tudier les conduites munies de poches dâair dans le â
cas oĂč le volume de celles-ci ne permet pas de nĂ©gliger la dilatation de la con- .
,
â
duite et la compressibilitĂ© de lâeau.
Enfin, quelques indications sur le remplissage des conduites, lâenregistreurde purge, le fonctionnement des ventouses employĂ©es pour lâexpulsion de lâairet les accidents que celles-ci sont susceptibles de provoquer.
~
~
v. . Conduite munie dâun rĂ©servoir dâair Ă son extrĂ©mitĂ© aval.Formules de M. Rateau..
Rappelons la dĂ©monstration des formules de M. RĂąteau. Supposons que le vo-lume de la poche dâair permette de nĂ©gliger la dĂ©formation de lâenveloppe et la
. compressibilitĂ© de lâeau. â
.
Soit Li, la longueur de la conduite ( fig. 2), H~ la hauteur de chute, P la pressionatmosphĂ©rique, HI(I +z) la pression au temps t Ă lâextrĂ©mitĂ© B de la conduite; S sasection, v la vitesse de lâeau au temps t; cette vitesse est supposĂ©e la mĂȘme surtoute la longueur de la conduite, elle est comptĂ©e positivement dâamont en aval. ,
DĂ©signons par h la distance verticale du niveau de lâeau dans le rĂ©servoir amont etdu plan passant par lâextrĂ©mitĂ© amont de la conduite.
Considérons la colonne liquide comprise entre deux sections droites de la con-
duite voisines de A et de B. La masse de cette colonne Le travail des pres- .
sions pendant le temps est : , .
le travail de la pesanteur est :
On a donc :
.LâĂ©quation de continuitĂ© est :
enfin en supposant les compressions et dilatations adiabatiques, on a :
. FIG. 2. - SchĂ©ma dâune conduite possĂ©dant une poche dâair Ă son extrĂ©mitĂ© aval.
Dans le cas oĂč les coups de bĂ©lier sont assez faibles pour que H,z soit nĂ©gli-
geable vis-à -vis de H~ + P, on.déduit de ces équations la période T des oscillations ;
En désignant par v0 la valeur initiale de la vitesse, on a
Telles sont les formules de NI. Rateau (â); il suppose ,~ =1, câest le cas le plusfrĂ©quent dans la pratique. Si les compressions et dilatations se font lentement, si le .
réservoir est métallique, ,, est assez voisin de i; au contraire, quand les phénomÚnes
sont rapides et que le réservoir est en verre, y se rapproche = I,4I.
. Jâai montrĂ© que la formule (ĂŻ) donne lieu Ă une remarque importante. DanslâĂ©tablissement de cette formule, rien nâindique que la section infĂ©rieure se trouve
â
en B Ă lâextrĂ©mitĂ© aval ; la formule (i) est donc applicable en tous les points de laconduite et montre que la surpression Ht z est rĂ©partie linĂ©airement sur la longueur
de la conduite, puisque ~U est constant Ă un instant donnĂ© dâun bout Ă lâautre de
celle-ci.
~
â
.
2. Vérifications expérimentales. - Répartition linéaire des surpressions.
Dans la portion verticale de la conduite de 300, qui était nécessairement bien
purgĂ©e dâair, jâai placĂ© trois manomĂštres Bourdon, qui Ă©taient lus en mĂȘme tempspar divers observateurs. Les Ă©longations de ces manomĂštres ont Ă©tĂ© trouvĂ©es propor-
. tionnelles Ă leurs distances Ă lâorigine de la conduite. CâĂ©tait une confirmation de
lâhypothĂšse de la prĂ©sence de pochĂ©s dâair dans la conduite... Cette vĂ©rification Ă©tait incomplĂšte; jâai pensĂ© quâil Ă©tait nĂ©cessaire de faire uneĂ©tude expĂ©rimentale plus soignĂ©e des formules de M. RĂąteau. En effet, les quantitĂ©squi interviennent dans ces formules nâont pas la mĂȘme signification dans le calculet dans lâapplication pratique quâon peut en faire ; en ce qui concerne la pression, .
il nây a aucune difficultĂ©, la pression est bien dĂ©finie dans les conduites employĂ©es .
qui ont un faible diamĂštre (p. ex. 3cm) vis-Ă -vis de la charge (p. ex. 12 m. 5o dâeau);il nâen serait pas de mĂȘme si les conduites Ă©taient trĂšs larges et soumises Ă descharges trĂšs faibles. En ce qui concerne la vitesse, celle quâon dĂ©termine dans les ap-plications pratiques est la vitesse moyenne provenant de la mesure du dĂ©bi t ; la vitessevraie varie, au contraire, aux divers points de la conduite; nulle Ă la paroi, elle aug-mente jusquâau centre de la conduite. LâhypothĂšse de lâĂ©galitĂ© des vitesses en tous
. (â) Rateau, Revue de MĂ©canique, mai I900.
les, points de la conduite nâest donc pas conforme Ă la rĂ©alitĂ©. La formule de M. Rateausâapplique-t-elle Ă la vitesse moyenne ? LâexpĂ©rience seule permet de sâen assurer.
Relativement Ă la poche dâair en contact avec lâeau, les phĂ©nomĂšnes ne sont pasnon plus bien dĂ©finis, et le concours de lâexpĂ©rience est Ă©galement indispensable.
La vĂ©rification par lâexpĂ©rience des formules de M. Rateau a Ă©tĂ© tout Ă fait satis-faisante.
Je citerai le tableau suivant relatif aux périodes T : :
IE-37; le graphique de lâune des expĂ©riences IE-37-7 est reprĂ©sentĂ© ( fig. 3).
I
La figure § reprĂ©sente le dessin des poches dâair employĂ©es.La formule (4) montre que la pĂ©riode dâoscillations est proportionnelle, toutes
choses Ă©gales dâailleurs, Ă la racine carrĂ©e du volume dâair, ou Ă la racine carrĂ©e dela longueur h de la poche dâair, si celle-ci est cylindrique; on le vĂ©rifie facilement,citons les expĂ©riences IE-36, IE-37 , IE-38, faites sur la mĂȘme conduite IE de
33 millimÚtres de diamÚtre intérieur.
,
Dans la figure 5, on a portĂ© en abscisses des quantitĂ©s proportionnelles Ă la ra-cine carrĂ©e de la longueur h de la poche dâair, qui Ă©tait cylindrique; en ordonnĂ©es,on a marquĂ© les valeurs correspondantes de la pĂ©riode T. Le courbe obtenue estune droite passant par lâorigine. ~
Les points marquĂ©s dâune croix se rapportent Ă lâexpĂ©rience IE-37 ; on voit queparmi ces points, 1 , 2, 3, sont notablement en dehors de la droite, sur laquelle se
placent les autres points; cela tient à la valeur du coup de bélier, qui est trop forte
pour que les formules précédentes soient rigoureusement applicables; pour les
points 1 , 2, 3, marquĂ©s dâune croix, nâest pas nĂ©gligeable vis-Ă -vis de Hi + Pdans la formule (3); on le vĂ©rifie facilement en mesurant la valeur de la surpres-
,
FIG. 4. - Dessin reprĂ©sentant uneâ
des poches dâair employĂ©es.Echelle: 1 /3.
~
FIG. 5. - Expériences : IE-3 ~ et 38. Vérification de la formule (4).
â
sion ; dâailleurs les diagrammes correspondants ont la forme caractĂ©ristique des
grands coups de bélier. (Voir plus loin flg. La série IE-38, pour laquelle les coups de bélier étaient plus faibles, a donné
une série de valeurs satisfaisant à la formule (4) et marquées sur la figure (5) par .
des croix entourées de petits cercles.Les tableaux suivants résument les expériences IE-37 et IE-38.
IE-37 ( fig. 5) points marquĂ©s dâune croix.
Les lectures de la longueur de la chambre dâair Ă©taient faites avant et aprĂšs le
coup de bélier. °
La concordance des formules de M. Rateau en ce qui concerne la vitesse peutsâexpliquer de la façon suivante :
â â
. Dans le régime de Poiseuille, la répartition des vitesses u dans un tube cylindri-que de rayon R est représentée par une parabole
â
r dĂ©signant la distance du point considĂ©rĂ© Ă lâaxe du tube, et ri le rayon du tube. LerĂ©gime hydraulique, au contraire, est caractĂ©risĂ© par une variation beaucoup plusrapide de la vitesse au voisinage de la paroi, et une uniformisation des vitesses dansla section du tube.
,
. FIG. 6. - Répartition des vitesses dans le régime hydraulique.Tube de verre de 4 Cm x 1~~~. Vitesse maximum om,64.
La figure 6 reprĂ©sente la rĂ©partition des vitesses entre deux plaques parallĂšles,dans le rĂ©gime hydraulique; les abscisses sont les distances Ă lâune des parois, lesordonnĂ©es les vitesses. Dâailleurs les perturbations qui accompagnent le rĂ©gime hy-draulique et mĂȘme le rĂ©gime de Poiseuille dans les conduites usuelles ont pour effetde simplifier le phĂ©nomĂšne en Ă©galisant les vitesses dans la section droite de celles-ci.
Pour terminer, je citerai une expĂ©rience montrant, dâune façon plus prĂ©cise queplus haut (p. 4), la rĂ©partition linĂ©aire des surpressions. On peut remarquer que laformule (i) est vraie mĂȘme si le coup de bĂ©lier H1z nâest pas nĂ©gligeable vis-Ă -vis.de Ht f P; câest le cas de lâexpĂ©rience suivante, qui a Ă©tĂ© faite sur une conduite deio5 m. 2( de longueur en fer, 5 millimĂštres dâĂ©paisseur amont; au premier tiersamont la pression statique Ă©tait de 10 m. 80 et Ă .lâextrĂ©mitĂ© aval de i5 m. 95 ( fig. 7;expĂ©rience : IE-i34-i6). ,
Les pressions relevées sur les deux graphiques sont indiquées dans le tableausuivant :
Le rapport des pressions a été pris égal an rapport des ordonnées correspon-dantes ; les deux manomÚtres employés dans cette expérience donnaient t trÚs sensi-
blement les mĂȘmes dĂ©viations, sous lâinfluence des mĂȘmes pressions; on a dâailleurs .
procĂ©dĂ© dans chaque cas Ă une vĂ©rification de ces appareils; par exemple sous lâin-
fluĂ©nce de la pression de 1 5 m. g5 dâeau la dĂ©viation du manomĂštre placĂ© Ă lâextrĂ©-
mitĂ©â de la conduite Ă©tait 23 mm. 7 ; le manomĂštre placĂ© au premier tiers, sous
lâinfluence de la pression de 10 m. 80, donnait une dĂ©viation de 16 mm. o. Onavait :
On pourrait citer beaucoup dâautres expĂ©riences analogues mettant en Ă©videncecette rĂ©partition linĂ©aire, qui prĂ©sente un grand intĂ©rĂȘt au point de vue technique.
â
3. Fermetures lentes.
â
Les Ă©quations sont faciles Ă Ă©crire, en dĂ©signant par c la surface par laquellelâeau sâĂ©coule, multipliĂ©e par le coefficient de contraction supposĂ© constant, on a ..
. les Ă©quations suivantes : ~ - _
avec les relations :
On prendra le plus généralement une loi de fermeture linéaire :
Fie. 8. - SchĂ©ma de lâextrĂ©mitĂ© aval dâune conduite munie dâune poche dâair.
4. Conduite possĂ©dant deux poches dâair.
Prenons une conduite possĂ©dant deux poches dâair, dont lâune est situĂ©e Ă lâextrĂ©-mitĂ© aval.
. Les notations sont indiquées dans la figure 9 : A est le réservoir de mise en
charge; les deux poches dâair sont en C et D.
Les Ă©quations reliant les volumes : U, et U~ des deux poches aux pressions cor-
respondantes + H2(I + Z2) sont :
FIG. 9. - Conduite munie de deux poches dâair. (Figure dĂ©fectueuse; les longueurs H1 et H!1 â
sont les distances verticales du niveau A et des plans horizontaux passant par C et D.)
dâoĂč :
Les équations de continuité sont, en désignant par v1 la vitesse dans le premiertronçon et par v2 la vitesse dans le second tronçon :
~
dâoĂč lâon dĂ©duit : /
en posant :
et nĂ©gligeant H1z1 vis-Ă -vis de Hi + P, et de Hg + P.LâĂ©quation des forces vives appliquĂ©e Ă la portion BC de conduite nous donne :
ou : O O
Cette équation est applicable, quelle que soit la position point C qui limite à sapartie inférieure la colonne liquide sur le premier tronçon de la conduite; il en
résulte, comme précédemment, que la surpression se répartit linéairement le longde ce premier tronçon.
ConsidĂ©rons le tronçon CD, dans lequel la vitesse est vt; on obtient de mĂȘme :
ou :
MĂȘme remarque que pour le premier tronçon ; cette Ă©quation montre que lasurpression se rĂ©partit linĂ©airement le long de ce deuxiĂšme tronçon. La rĂ©partitiondes surpressions se fait comme celle des potentiels dans des conducteurs homogĂšneset de section constante placĂ©s en sĂ©rie et traversĂ©s par le mĂȘme courant.
En Ă©liminant et v~ entre les Ă©quations (8), (9), (10) et (11), on obtient :
Ă©quation qui ne change pas quand on permute les deux tronçons; lâĂ©quation sera identique Ă la prĂ©cĂ©dente.
Jâai calculĂ© les pĂ©riodes donnĂ©es par cette Ă©quation, dans le cas particulier sui-vant :
,
Jâai obtenu les valeurs suivantes]pour les deux pĂ©riodes Tl et T~ : : â
Courbes reprĂ©sentatives des pĂ©riodes dâune conduite munie de deux poches dâair.
FIG. 10. - PĂ©riodes dans une conduite munie de deux poches dâair.
5. ExpĂ©riences sur une conduite comprenant deux poches dâair.
Expériences : : IE-49-5, IE-49-4 (fig. 11 et fig. 12).
. En employant deux poches dâair, on obtient des graphiques mettant en Ă©vidence. deux pĂ©riodes dont les valeurs concordent avec les formules des Ă©quations indiquĂ©es
plus haut.Voici quelques chiffres :
Les deux périodes observées étaient : ,
.
Remarque. - Pour dĂ©terminer expĂ©rimentalement les diverses pĂ©riodes dâune-conduite, on peut munir celle-ci, Ă son extrĂ©mitĂ©, dâun petit robinet qui est entraĂźnĂ©
par un moteur dont on fait varier lentement la vitesse; les diverses rĂ©sonances sontalors mises en Ă©vidence avec la plus grande nĂ©ttetĂ©, comme pour les conduites pur-gĂ©es dâair (voir fig. 74, tome I) ; les petites pĂ©riodes sâamortissent plus rapidementet disparaissent au bout dâun certain temps.
6. Augmentation de la pĂ©riode apparente dâune conduite sous lâinfluence
~
dâune poche dâair situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© aval.
Je citerai un seul exemple de ce fait. Dans lâexpĂ©rience : lâalterna-
teur actionné par la turbine alimentée par la conduite P3 C) était en réparation ;il était donc impossible de charger la turbine et de purger la conduite, le graphiquede fermeture f3) donnait une période apparente de 18,76, bien supérieure à la
pĂ©riode (apparente) Is,36 qui correspond Ă la conduite entiĂšrement purgĂ©e (tome I,.,p. 242). â~
7. AttĂ©nuation des coups de bĂ©lier par les rĂ©servoirs dâair (2).
On peut rĂ©duire les coups de bĂ©lier dans une conduite au moyen dâun rĂ©servoir â
dâair placĂ© Ă lâextrĂ©mitĂ© infĂ©rieure de celle-ci.Prenons par exemple une conduite dans laquelle
(1) Recherches faites en collaboration avec M. Eydoux, Ă lâUsine de Soulom.
(2) Camichel et Eydoux, Revue générale des Sciences, 1 5 nov.
Prenons un réservoir ayant comme section seize fois la section de la conduite et
comme longueur 4 mĂštres; le rapport des coups de bĂ©lier qui se produisent, touteschoses Ă©gales dâailleurs, quand le rĂ©servoir dâair existe et quand il est supprimĂ© est
â
Ă©videmment : -
en prenant P = 10. ,
En reliant ce rĂ©servoir dâair Ă la conduite par une tubulure Ă©tablie dans des
conditions que M. de Sparre 1â) a indiquĂ©es, on peut rĂ©duire de moitiĂ© le volumede ce rĂ©servoir dâair tout en obtenant la mĂȘme rĂ©duction du coup de bĂ©lier.
. Lâemploi des rĂ©servoirs a en outre, pour la protection des conduites, lâavantagede donner une rĂ©partition linĂ©aire des pressions, ce qui est particuliĂšrement avan-
tageux dans le cas oĂč les fermetures sont trĂšs rapides. Dans ce cas, le coup de bĂ©lierse transmet intĂ©gralement jusquâau sommet de la conduite ; les rĂ©servoirs dâair
permettront donc de protĂ©ger les parties hautes des conduites.Lâemploi des rĂ©servoirs dâair Ă©vite touteâ perte dâeau. ,
.
. Les rĂ©servoirs dâair ont divers inconvĂ©nients, parmi lesquels il convient de citerla nĂ©cessitĂ© de renouveler lâair qui se dissout rapidement sous des pressions Ă©levĂ©es.En outre, les oscillations dont nous venons de parler sont un obstacle au rĂ©glagedes turbines ; elles exposent Ă de dangereuses rĂ©sonances et produisent parfois le
phénomÚne connu sous le nom de pompage. Les variations de pression rythmiquesqui prennent naissance ainsi sont trÚs nuisibles pour les conduites.
~
. 8. Calcul des grands coups de bĂ©lier dans les conduites munies dâun rĂ©servoir° dâair Ă leur extrĂ©mitĂ© aval (2).
Lâapproximation faite page 5 et consistant Ă nĂ©gliger la surpression Hiz vis-a-vis de H,+ P est souvent tout Ă fait inadmissible; câest le cas des grands coups de bĂ©lierqui se produisent dans les presses Ă obus munies de rĂ©servoirs dâair. On peut dansce cas faire le calcul de la façon suivante :
Prenons une conduite munie Ă sa partie infĂ©rieure dâun rĂ©servoir dâair, de volumesuffisant pour quâon puisse nĂ©gliger la compressibilitĂ© de lâeau et la variation devolume de la conduite. Ătudions le cas dâune fermeture de trĂšs courte durĂ©e.
e) De Sparre, Houille blanche, octobre I g t I .
â
(2) C. Camichel, Revue gĂ©nĂ©rale de lâĂlectricitĂ©, mai r .
En désignant par :
L la longueur de la conduite en mĂštres;S la section de la conduite en mĂštres carrĂ©s ;v la vitesse de en mĂštres par seconde ;H la pression statique en mĂštres dâeau Ă lâextrĂ©mitĂ© de la conduite; .
. y = H(i + ~) + P la pression en mĂštres dâeau, au temps t, Ă lâextrĂ©mitĂ© aval dela conduite ;
â
P la pression atmosphĂ©rique en mĂštres dâeau ;U le volume de lâair en mĂštres cubes Ă la pression y;Do le volume initial Ă la pression y~ = H + P ; .
â
y le rapport des chaleurs spécifiques des gaz C et c.
On a les Ă©quations suivantes, en supposant que lâair se comprime adiabatique-ment :
â
LâĂ©limination de z, U, v entre les quatre Ă©quations prĂ©cĂ©dentes donne :
En posant :
on obtient :
dâoĂč lâon dĂ©duit :
avec
En Ă©crivant que o, lâĂ©quation permet de dĂ©terminer le maximum et le
minimum de pression. â
Cette équation admet deux racines qui résolvent la question. En outre, en rem-
plaçant y par y~ dans la relation (18), on obtient le coeflicient angulaire de la
tangente Ă lâorigine Ă la courbe de surpression. En prenant la dĂ©rivĂ©e du secondmembre de lâĂ©quation (18) et en Ă©galant Ă zĂ©ro, on obtient lâordonnĂ©e du pointdâinflexion de la mĂȘme courbe. Enfin on construit cette courbe par points par le
procĂ©dĂ© suivant : â
. Appelons F (y) le second membre de lâĂ©quation (18), on a :
qui donne le temps t par une planimétrie.En appelant yn la pression maximum et y~ la pression minimum, la période T
sera donnée par la formule :
La courbe représentant 1 ayant des branches asymptotiques pour y == ymm
et y = VM , , on se contente de faire la planimétrie entre les limites ym + E et yx - E ;E étant trÚs petit.
On peut ensuite faire le mĂȘme calcul en prenant une compression isotherme.Nous appellerons Aâ la nouvelle constante : .
on obtient facilement lâĂ©quation suivante :
et
. La question se rĂ©sout de la mĂȘme façon pour la valeur maximum et minimumde la pression, pour la construction par points de la courbe de surpression et pourla dĂ©termination a priori de lĂ pĂ©riode.
Quand Hz est faible vis-Ă -vis de yo, les formules prĂ©cĂ©dentes se simplifient ;on a, dans le cas dâune compression adiabatique :
En développant en série et négligeant les termes à partir du troisiÚme ordre,on obtient la formule de Rùteau : .
de mĂȘme, dans le cas des compressions isothermes, on peut Ă©crire :
qui donne, toujours avec les mĂȘmes approximations, la mĂȘme formule de M. RĂąteau
avecY==t. ~
~
"
EXPĂRIENCES IE-I39-4 ET - LâexpĂ©rience vĂ©rine dâune façon trĂšs satis-faisante les formules prĂ©cĂ©dentes. Les expĂ©riences ont portĂ©e en particulier, sur uneconduite dans laquelle on a : .,
â
Quand les coups de bĂ©lier sont petits, la courbe de surpression est de formesinusoĂŻdale. Au contraire, quand les coups de bĂ©lier deviennent considĂ©rables,câest-Ă -dire lorsque Hz nâest plus nĂ©gligeable vis-Ă -vis de yo, les courbes obtenues,comme le montrent les figures i4 et 15, ont des portions positives beaucoup pluspointues que les portions nĂ©gatives, câest-Ă -dire situĂ©es au-dessous de la ligne depression statique; la surpression et la dĂ©pression deviennent donc trĂšs inĂ©gales.LâĂ©quation rend compte complĂštement de cette forme; exemple : expĂ©rience IE-139-4.La fonction F (y) est rĂ©elle pour les valeurs de y comprises entre 18,2 m et 37,2 mdans le cas de la compression adiabatique, et entre les valeurs 19,3 m et 35,2 mdans le cas de la compression isotherme. On trouve les rĂ©sultats suivants :
Pour cette expérience, la valeur de Vu est : 0,224 m et Do = 490 cm3 à la pres-sion de 735 mm de mercure.
Le graphique des surpressions est représenté figure i4.On voit donc que la compression est comprise entre une isotherme et une adia-
batique ; avec des rĂ©servoirs dâair Ă parois mĂ©talliques et des pĂ©riodes assez longues,elle se rapproche davantage de lâisotherme que de lâadiabatique.
Autre exemple de la mĂȘme sĂ©rie : ExpĂ©rience (fig. 15), v0 = 0,I90 m,
U~ = 720 cm3 Ă la pression de 735 mm de mercure.
La courbe représentant les surpressions obtenues est reproduite figure 15.
On trouve, pour lâexpĂ©rience IE-13g-!~ :
PĂ©riode isotherme : 0,278 s ;PĂ©riode adiabatique : o,330 s ; ...
â La pĂ©riode observĂ©e est : 0,300 s.
Pour dĂ©terminer la surpression maximum yM produite par une fermeture ins-â
tantanĂ©e du distributeur dans une conduite munie dâun rĂ©servoir dâair Ă son extrĂ©-
mitĂ© aval, on fera donc usage des Ă©quations (18) et (20) ; lâĂ©quation (18) donneraune limite supĂ©rieure et lâĂ©quation (20) une limite infĂ©rieure de la surpressioncherchĂ©e.
â
Remanque. - Les phĂ©nomĂšnes de rĂ©sonance produits paf le fonctionnement dâun
clapet automatique (fig. 19) dans une conduite munie dâune poche dâair donnent descourbes de surpressions analogues aux prĂ©cĂ©dentes. On remarquera sur la figure 16 : .
10 le coup de bĂ©lier produit dans la conduite purgĂ©e dâair, en fermant Ă la main le
clapet et le maintenant fermĂ© ; 2° le coup de bĂ©lier produit dans les mĂȘmes condi-tions, quand on crĂ©e dans la conduite une poche dâair de 378 cm3 (mesurĂ©e Ă la
pression de 10 m, dâeau), et enfin le phĂ©nomĂšne de rĂ©sonance obtenu en abandon-nant le clapet Ă lui-mĂȘme (expĂ©rience : IE-123-3). La. figure 17 donne un autre
exemple de phénomÚne de résonance (expérience :
On trouvera dans un important mĂ©moire de M. A. Foch (1); qui paraĂźtra pro-chainement, lâĂ©tude de ces phĂ©nomĂšnes de rĂ©sonances.
Le dispositif employé pour les phénomÚnes de résonance ressemble au bélierordinaire ; il en diffÚre néanmoins par la présence de la soupape S et du tube T quicommunique avec le réservoir supérieur B. :
Il en résulte un fonctionnement tout à fait différent : quand la soupape S est
fermĂ©e, la conduite peut ĂȘtre considĂ©rĂ©e comme une conduite entiĂšrement purgĂ©e
(i) A. Foch, C. R. Académie des Sciences, t. p. 687 (I9Ig). ,
munie dâun clapet automatique; quand la soupape S est ouverte, lâensemble estassimilable Ă une conduite munie dâun clapet automatique et dâun rĂ©servoir dâairdans lequel la pression varie peu Ă cause de sa communication permanente avec lebassin supĂ©rieur B.
â
FIG. 18. - SchĂ©ma dâun bĂ©lier hydraulique.
FIG. 19. - PhénomÚnes de résonance : Clapet automatique dans une conduite.
.
possĂ©dant une poche dâair Ă son extrĂ©mitĂ© aval.
9. Application simultanée des équations de MM. Allievi et Rateau.
. Au dĂ©but des recherches en collaboration avec M. Eydoux, jâai songĂ© Ă appliquer°
simultanĂ©ment les Ă©quations dâAllievi et de Rateau au phĂ©nomĂšne de lâoscillationen masse.
â
ConsidĂ©rons une poche dâair situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© dâune conduite de longueur 1 ;a dĂ©signant la vitesse de propagation de lâonde, Yo la pression initiale Ă lâextrĂ©mitĂ©
aval, considĂ©rons des intervalles de temps Ă©gaux Ă 2~; a soient y~ et v k la pression etla vitesse Ă lâextrĂ©mitĂ© de la conduite Ă la fin du ke intervalle. Les Ă©quations dâAllievi
sont : ,
,dâoĂč, en Ă©liminant Fk et Fk+, entre ces quatre Ă©quations :
Prenons un graphique de surpression IE-io6-3. Partons dâun point pour lequella vitesse est connue, par exemple dâun point correspondant au maximum dâĂ©longa-tion (point dâabscisse 4, 5 dans la figure 20 et numĂ©rotĂ© 1 dans la figure 21) ; la for-mule prĂ©cĂ©dente permet de calculer de proche en proche les valeurs de la vitesse v.
Dâautre part, la formule de Rateau .
permet en chaque point de déterminer la direction de la tangente. La figure 2ï
montre que les tangentes ainsi obtenues se placent trĂšs bien sur la courbe des°â
vitesses. .
M. Eydoux a utilisĂ© un procĂ©dĂ© de calcul analogue dans lâĂ©tude du fonctionne-ment des accumulateurs hydrauliques.
Conduite de 80mm de diamĂštre intĂ©rieur; longueur : 2==ii5~,75; volume dâair
Je citerai un autre exemple :
FIG. 20. - Courbe des surpressions qui a servi aux constructions indiquées figure ai. .
Fie. 21. - Application simultanée des formules de MM. Allievi et Rateau.
FIG. 22. - Application simultanée des formules de MM. Allievi et Rateau. On voit queles tangentes calculées se placent trÚs bien sur la courbe des vitesses.
10. Ăquations dans le cas des petites poches dâair. ,
Pour calculer les surpressions dans le cas de petites poches dâair, il est nĂ©ces-
saire de tenir compte de la compressibilitĂ© de lâeau et de la dĂ©formation de lâenve-
loppe.Supposons que la conduite possĂšde une petite poche dâair Ă son extrĂ©mitĂ© aval:
Les Ă©quations sont les suivantes :
et enfin :
on en déduit :
oĂč lâon remplace v par sa valeur tirĂ©e des premiĂšres Ă©quations, il vient :
dâoĂč lâon tire :
formule qui permet de calculer 1 en fonction de y et de construire la premiĂšre por-tion de la couche de surpression pour :
Pour le deuxiĂšme intervalle :
on procĂšde de mĂȘme; appelons Y~ la valeur de y pour 1 = 2014, nous avons :
dâoĂč:
F~ est connu. â
â
On obtient, comme précédemment en remplaçant v par sa valeur dans :
les variables sont séparées; on calculera la courbe de surpression correspondant audeuxiÚme intervalle par la formule :
et ainsi de suite. â
. Connaissant les valeurs des fonctions F pour les divers intervalles, on pourracalculer la répartition des pressions le long de la conduite. ,
Dans le travail auquel jâai dĂ©jĂ fait allusion, M. Foch a fait lâĂ©tude complĂšte des~ conduites munies de petites poches dâair et a mis en Ă©vidence des rĂ©sultats dâun
~
trĂšs grand intĂ©rĂȘt. ~° â
11. . Applications diverses. â
Remplissage des conduites.
Dans les conduites de basse chute, il se produit parfois, au moment du remplis-sage, des oscillations en masse susceptibles de provoquer des pressions élevées ;ces oscillations peuvent provenir du déplacement des grandes bulles existant dansla conduite. .
â
Dâune façon.gĂ©nĂ©rale, il convient de faire arriver lâeau avec le maximum de len-teur compatible avec les conditions de lâinstallation et dâattendre que la purge dela conduite soit complĂšte pour mettre en marche les turbines, la prĂ©sence de bullesdâair Ă©tant susceptible de provoquer des phĂ©nomĂšnes de rĂ©sonanĂ©e dangereux.
La vidange dâune poche dâair peut provoquer des pressions Ă©levĂ©es; lâexpĂ©riencesuivante le montre : on ouvre le robinet dâune poche dâair situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© avalde la conduite de 80 millimĂštres ( fig. 23) ; lâĂ©coulement de lâair produit dans laconduite un coup de bĂ©lier dâouverture qui sâamortit rapidement. La vitesse de lâeaudans la conduite a une valeur sensiblement constante vo. Au moment oĂč lâair estcomplĂštement Ă©vacuĂ©, la vitesse de lâeau dans la conduite dĂ©croĂźt brusquement jus-quâĂ une valeur trĂšs faible; tout se passe comme dans le cas dâune fermeture de
trÚs courte durée. La surpression est trÚs sensiblement égale à av0 g, elle peut dépas-ser beaucoup la pression statique.
Un accident de ce genre peut se produire quand un rĂ©servoir dâair branchĂ© surune conduite en charge est fĂȘlĂ© par accident.
~
Clapet automatique enregistreur de purge. â
On peut se rendre compte de lâĂ©tat dâune conduite par lâexamen des diagrammesde fermeture, par la mĂ©thode de la dĂ©pression brusque, etc., comme je lâai indiquĂ©,mais il est plus simple dans la pratique dâemployer un clapet automatique _
susceptible de donner, par son fonctionnement, que des variations de pression trĂšsrĂ©duites; on y arrive facilement en munissant le clapet Ă sa partie infĂ©rieure dâunemasse assez lourde pour quâil âsâouvre dĂšs que la pression devient lĂ©gĂšrement infĂ©-rieure Ă la pression statique. Un tachymĂštre actionnĂ© par le mouvement alternatifdu clapet indique directement lâĂ©tat de la conduite. La pĂ©riode de la conduite entiĂš-rement purgĂ©e est calculĂ©e a priori, ou bien dĂ©terminĂ©e par lâexpĂ©rience. La figure 25indique le graphique des variations de pression indiquĂ©es par lâappareil.
Emploi des ventouses pour la purge des conduites.
On emploie souvent pour Ă©liminer les bulles dâair qui se produisent dans lesconduites des appareils appelĂ©s ventouses. La figure 26 reprĂ©sente le schĂ©ma dâune âventouse de la maison dâAubrives de Villerupt. Lc fonctionnement de ces appareilsest trĂšs simple : quand une bulle entraĂźnĂ©e par le mouvement de lâeau dans la con-duite arrive en regard de la cloche A, lâair monte vers la partie supĂ©rieure de cettecloche et remplit la chambre H. Le clapet B tombe et dĂ©masque lâorifice C. Lâairsous pression est Ă©vacuĂ© par la tubulure D, ce qui provoque un mouvement ascen-dant de lâeau dans la cloche A et une certaine vitesse dans la conduite.
= Au moment oĂč lâeau arrive au sommet de la cloche A, sa vitesse varie dans un- intervalle de temps trĂšs court dans un rapport sensiblement Ă©gal au rapport des
FIG. 24. - Clapet automatique enregistreur de purge.
FIG. 25. - Diagramme des variations de pression provoquĂ©es par lâenregistreurde purge ; expĂ©rience : IE -160-1.
surfaces de la section de la cloche A et de la section de la tubulure E; pour les dimen-
sions indiquĂ©es sur la figure 26 ce rapport est Ă©gal Ă 1 , les pertes de charge sontnĂ©gligĂ©es. De pareilles variations de vitesse provoquent des surpressions Ă©levĂ©es.susceptibles dâentraĂźner des ruptures de la conduite.
. FIG. 26. - Ventouse.
Dans une Ă©tude faite en collaboration avec M. lâingĂ©nieur Espaignol, nous avonsattĂ©nuĂ© trĂšs notablement ces surpressions, en ajoutant au bas de la tubulure E untube percĂ© de trous," comme le montre la figure 27 : la diminution de la vitesse delâeau se produit dâune façon progressive, car les trous par lesquels lâair peut sortirsont fermĂ©s Ă mesure que lâeau monte dans la cloche. La loi de variation de la
vitesse de lâeau dans la conduite peut ĂȘtre modifiĂ©e Ă volontĂ© en changeant le
progresseur et la disposition des trous. percĂ©s dans le tube. Tout se passe donccomme si la conduite Ă©tait munie dâun distributeur dont la vitesse de fermeture estvariable Ă volontĂ©.
_
Un autre procĂ©dĂ© susceptible dâamĂ©liorer le fonctionnement des ventouses etdâĂ©viter les ruptures de conduites consiste Ă subdiviser celles-ci en divers tronçonsen les munissant, aux points les plus Ă©levĂ©s, de chambre dâeau ou de cheminĂ©es
dâĂ©quilibre de grand diamĂštre. On rĂ©duit ainsi lâĂ©nergie accumulĂ©e dans la massedâeau en mouvement au moment de la sortie de lâair C)..
â
°
5.
FIG. a~. - Ventouse munie dâun tube destinĂ© Ă lâattĂ©nuation des coups de bĂ©lier.
A cet Ă©gard, on peut dire quâune grosse_ bulle situĂ©e dans une conduite est sus-ceptible de protĂ©ger celle-ci en faisant lâomce de chambre dâeau et produisant unvĂ©ritable sectionnement de la conduite. A condition que le volume de cette bulle
soit assez considĂ©rable, la pression y reste sensiblement constante et les rĂ©flexionssây produisent avec changement de signe comme sur une chambre dâeau; les sur-pressions nâatteignent pas les portions de la conduite situĂ©es au delĂ .
(1) Pour lâĂ©tude des cheminĂ©es dâĂ©quilibre, consulter le MĂ©moire de M. D. Eydoux, Lesmouvements de lâeau et les coupsâde bĂ©lier dans les cheminĂ©es dâĂ©quilibre
12. Remarque sur lâemploi des indicateurs; ; influence du tube de commu-nication reliant le manomĂštre Ă la conduite.
En vue de lâemploi des indicateurs et du choix du tube mettant la conduite encommunication avec celui-ci, on peut faire la remarque suivante (â) :
FIG. 28. - SchĂ©ma dâune conduite munie dâun indicateur.
ConsidĂ©rons un manomĂštre M, branchĂ© sur une conduite C par lâintermĂ©diaire
dâun tube de longueur L et de section S, . Le manomĂštre, quel quâil soit, indi-
cateur, manomÚtres genre Bourdon, plaque métallique mince analogue à celles
employĂ©es dans les baromĂštres anĂ©roĂŻdes, enregistre les variations de pression, parune dĂ©formation, qui provoque dans le tube de communication un mouvement enmasse de lâeau. Soit y + H la pression en M, la pression au temps t sera H(i + z) + y,y la pression dans la conduite C au point oĂč se trouve le tube de communication.
(*) Tous les systĂšmes Ă©lastiques sont Ă©videmment susceptibles de provoquer des oscilla-tions dans les conduites et; si leur importance est assez grande, des oscillations en masse.Dans les conduites Ă©tudiĂ©es, jâai Ă©vitĂ© dâemployer des joints Ă©lastiques. Dans une conduitede 100 mĂštres de long Ă joints de caoutchouc installĂ©e Ă lâusine Ă gaz de Toulouse, la fer-meture du robinet situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© aval provoquait des dĂ©placements de lâextrĂ©mitĂ©atteignant 25 centimĂštres dâamplitude. La conduite de 80 millimĂštres de lâInstitut Ă©lectro-technique Ă©tait formĂ©e de tronçons rĂ©unis entre eux par des raccords Ă vis sans interposi-tion de joints de caoutchouc.
Le thĂ©orĂšme des forces vives donne, en dĂ©signant par v la vitesse de lâeau dans le:.
tube,
ou
,
La variation de pression Hdz entraßne, par suite du déplacement du piston de
lâindicateur, une variation de volume qui lui est proportionnelle; en appelant k lerapport de proportionnalitĂ©, on a : ,"
dâoĂč :
La pĂ©riode r de lâoscillation en masse qui va prendre naissance sera :
En dĂ©signant par va la valeur de la vitesse v Ă lâĂ©poque zĂ©ro, oĂč Hz est nul, on a :
dâoĂč :
On pourra employer lâune ou lâautre de ces formules. Donnons un exemple : .
Prenons un indicateur à ressort extérieur (fig. 3 du tome I) donnant une dévia-tion du style de 60 millimÚtres pour une augmentation de pression de atmosphÚre ;le piston de cet indicateur a 2 centimÚtres de diamÚtre. Quand le style se déplacede 6 centimÚtres, le piston se déplace de i centimÚtre seulement. On a :
Voici une expĂ©rience IE-138-g ( fig. 29) : : â
L = 15 m. 3, d p I I mm diamÚtre du tube de communication.H = 4 m. ~o, ~ correspond à un débit de i35o~ en 8oB
259Nous ~ ;ons :
on trouve o»,46.
va est donné par la focmule :
et
Comme sur le diagramme : IE-i38-g, 27 mm. 2 correspondent à 4 m. 7 de pres-sion, et que la surpression A est mesurée par 2 r m. 5, on a :
on a exagéré, à dessein, les perturbations dans les expériences précédentes.
MATIĂRES CONTENUES DANS CE MĂMOIRE,
Pages.
1. Conduite munie dâun rĂ©servoir dâair Ă son extrĂ©mitĂ© aval. Formules de M. Rateau. 223
2. Vérifications expérimentales; répartition linéaire des surpressions.............. 225
3. Fermetures lentes........................................................... 232
4. Conduite possĂ©dant deux poches dâair ..... : . , ....... , ... , ... _ .... , , , .. , . , , ... 232
5. ExpĂ©riences sur une conduite possĂ©dant deux poches dâair..................... 2366. Augmentation de la pĂ©riode apparente dâune conduite sous lâinfluence dâune poche
dâair situĂ©e Ă lâextrĂ©mitĂ© aval.............................................. 238 â
7. AttĂ©nuation des coups de bĂ©lier par les rĂ©servoirs dâair........................ 2388. Calcul des grands coups de bĂ©lier dans les conduites munies dâun rĂ©servoir dâair
à leur extrémité aval; phénomÚnes de résonance ...... , .................... , 2399. Application simultanée des équations de MM. Allievi et Rùteau................. 246
10. Ăquations dans le cas de petites poches dâair..., ...................... , ...... 250ii. Applications diverses; remplissage des conduites; clapet automatique enregistreur
de purge; emploi des ventouses pour la purge des conduites................. 25 1
i2. Remarque sur lâemploi des indicateurs ; influence du tube de communication re-liant le manomĂštre Ă la conduite.......................................... 256 .