Chapitre IV Mesures de vitesses
IV.4. BILAN
Figure IV-46 : Comparaison des résultats numériques le long de la grille pour des cas avec et sans exutoires. En haut, le rapport Vt/Vn et en bas, le rapport Vn/V1. Les ordonnées y sont normalisées par la largeur du plan de grille selon
y pour avoir une variable comprise entre 0 et 1 pour les deux configurations.
IV.4. BILAN
Des mesures de vitesse ont été réalisées à l’amont et à l’aval de trois types de grilles dont deux types de grilles orientées. Elles ont été complétées par des simulations numériques, notamment pour l’étude de certains aspects liés aux exutoires.
A l’amont de la grille…
Les mesures de vitesses tangentielle et normale à l’amont de la grille ont permis de vérifier les critères angulaires définis de manière théorique par l’ADEME. Les grilles inclinées satisfont bien les critères d’ichtyocompatibilité pour β ≤ 26°, et ce, sans restriction concernant la vitesse débitante amont
V1. Les grilles orientées normales satisfont globalement assez bien le critère Vt/Vn > 1 pour α = 45°.
Toutefois, en fin de grille, les vitesses normales sont plus élevées et le rapport Vt/Vn devient légèrement
inférieur à 1. Ces plus fortes vitesses peuvent générer des risques de placage et les vitesses débitantes amont admissibles deviennent alors assez fortement restreintes.
Les grilles orientées avec les barreaux dans le sens de l’écoulement ont un problème similaire avec, en fin de grille à α = 45°, un rapport Vt/Vn légèrement inférieur à l’unité et des vitesses Vn élevées.
Cependant, contrairement aux grilles orientées normales, il est possible d’accentuer l’orientation (diminuer α) pour obtenir un meilleur guidage sur la grille car cela ne pénalise pas les pertes de charge.
A l’aval de la grille…
La topologie de l’écoulement à l’aval des grilles dépend fortement du type de grille considéré. Derrière les grilles inclinées, les vitesses sont assez homogènes avec des différences principalement dues aux éléments transversaux (entretoises par exemple) mais leur sillage se diffuse rapidement. Les grilles orientées, avec des barreaux normaux au plan de grille ou alignés avec la direction du canal, génèrent une dissymétrie avec une zone de faible vitesse le long d’une berge, voire une zone de recirculation dans le cas des barreaux perpendiculaires à la grille. Cette dissymétrie n’est toutefois pas de la même ampleur pour les deux types de grilles. Elle reste acceptable lorsque les barreaux sont alignés avec le canal car les écarts de débit entre chaque moitié latérale d’écoulement ne dépassent pas 10%. A l’inverse, plus de 80% de l’écoulement est concentré sur une moitié de canal à l’aval des grilles orientées normales. D’après nos simulations, sans dispositif supplémentaire (déflecteurs par exemple), cette dissymétrie perdure sur une longue distance à l’aval de la grille et peut donc être pénalisante pour l’exploitant.
Avec un exutoire de contournement…
L’ajout d’un exutoire ne modifie pas sensiblement la courantologie le long de la grille. Dans le cas de grilles inclinées, ou des grilles orientées lorsqu’il y a une sur-largeur pour l’exutoire, le débit qui est redirigé vers la grille augmente nettement les vitesses normales en fin de grille. Alimenter suffisamment l’exutoire (environ 4% du débit turbiné pour les grilles inclinées, un peu plus pour les grilles orientées) permet de retrouver les profils de vitesses mesurés le long des grilles dans le canal réduit mais les risques de placage en fin de grille, orientée principalement, demeurent. Il est nécessaire que la grille couvre l’intégralité de la largeur du bief amont pour que ces risques soient diminués. Dans de telles configurations, l’exutoire fait alors uniquement partie de la berge et il devient réellement attractif car il est nécessairement alimenté depuis l’amont de la grille. Les vitesses tangentielles en fin de grille sont alors nettement renforcées, et cela permet, pour les différents cas des grilles orientées, d’améliorer les rapports Vt/Vn en fin de grille.
Pour les grilles orientées « normales » ou avec les barreaux dans le sens de l’écoulement, l’angle que fait l’exutoire avec la grille ou le canal semble importer assez peu tant que celui-ci est accolé à l’extrémité aval de la grille. L’exutoire de surface en fin de grille orientée peut par contre ne pas être adapté à certains cours d’eau. En effet, l’exutoire ne crée pas vraiment de courant ascendant et si les espèces piscicoles concernées ne prospectent pas sur toute la hauteur du canal, elles risquent de ne pas trouver le moyen de contourner la prise d’eau. Les mesures et les simulations tendent à confirmer les recommandations en termes de débit alloué à l’exutoire. Pour les configurations sans sur-largeur pour
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l’exutoire, les tests réalisés avec 5% et 10% du débit turbiné dans l’exutoire permettent de créer un bon guidage en fin de grille. Les vitesses d’entrée dans l’exutoire ne semblent par contre pas être déterminantes. Il peut donc être judicieux d’augmenter la profondeur de l’ouverture tout en diminuant les vitesses d’entrée. Ceci est d’autant plus vrai qu’il y a un décollement à l’entrée du tronçon de l’exutoire, et que celui-ci génère des vitesses plus importantes du côté de la grille, facilitant ainsi la continuité des vitesses en fin de grille.
Pour les grilles inclinées, il est nécessaire d’avoir plusieurs entrées d’exutoires afin d’éviter des zones de recirculation. L’attractivité du dispositif au-delà de 2 entrées d’exutoires varie ensuite assez peu. Ni le débit ni la vitesse d’entrée dans l’exutoire ne semble réellement influencer l’attractivité du dispositif. La largeur cumulée des différentes entrées semble être le paramètre déterminant l’attractivité globale de l’installation. De nouvelles données, obtenues sur des plans de grille à taille réelle, pourraient permettre d’approfondir cette partie de l’étude en précisant davantage le débit et le nombre d’entrées d’exutoire nécessaires selon la configuration de la prise d’eau. L’outil numérique semble alors tout à fait adapté. Il permettrait de plus, de changer facilement certains paramètres, et de différencier par exemple, la section des différentes entrées d’exutoires. Toutefois, pour ces configurations, les simulations doivent forcément être effectuées en 3D et doivent inclure la surface libre. Le nombre de cellules est bien supérieur aux simulations bidimensionnelles que nous avons réalisées (maillage fin des nombreux barreaux plus maillage fin près de la surface libre) ce qui rend cette solution difficilement envisageable pour une étude paramétrique à ce jour. Un moyen de réduire le problème serait de simplifier la modélisation du plan de grille, comme cela a déjà été réalisé avec d’autres logiciels par Ho et al. (2011) ou encore Khan et al. (2004). Mais l’approche avec un milieu poreux ou un saut de pression n’est pour l’instant pas compatible avec les simulations 3D à surface libre sous OpenFOAM et requerrait donc des développements spécifiques de cet outil.