Des études sur les vitesses plus récentes

à le compléter par la littérature sur l’évolution des vitesses le long des grilles qui concerne plus particulièrement le volet biologique de la problématique.

I.5. Des études sur les vitesses plus récentes

Les techniques de mesures, et par la même voie, les différentes perspectives d’études, évoluent au fil des décennies. Si dans les années 1920, la décennie des premières formules de pertes de charge, les techniques de mesures de vitesses consistaient majoritairement en des moyens de mesures ponctuels et intrusif (tube de Pitot par exemple), l’évolution des techniques a permis de développer de nouveaux moyens de mesures. Dorénavant, il est possible de mesurer les trois composantes de la vitesse, avec une sonde acoustique à effet Doppler par exemple (sonde ADV), et il est aussi possible d’obtenir assez facilement deux composantes de la vitesse sur une grande étendue, à l’aide d’un système de Particle Image Velocimetry (PIV) par exemple.

En dehors des études consacrées exclusivement à l’écoulement autour d’un barreau, les premières études que l’on peut apparenter à des études de vitesses autour de grille ont eu lieu à la fin des années 1980. L’Electrical Power Research Institute (1987) s’est intéressé aux grilles Eicher en étudiant un dispositif expérimental où les grilles étaient installées dans un canal rectangulaire en charge. L’EPRI a alors étudié, entre autres, l’évolution des composantes normales et tangentielles de la vitesse autour de la grille. Cependant, les moyens de mesures n’étaient pas très conséquents (capteurs manométriques sur les parois du canal). Les informations sur les vitesses n’étaient donc pas vraiment localisées mais suffisaient pour estimer l’évolution des vitesses le long de la grille.

Figure I-9 : Schéma en coupe extrait du rapport de l’EPRI (1987) sur les grilles Eicher installées dans une conduite forcée. Différentes colonnes de capteurs manométriques sont notamment représentées.

Figure I-10 : Schéma extrait du rapport de l’EPRI (1987) sur les grilles Eicher installées dans une conduite forcée (vues de dessus et de côté).

Les premières études précises de vitesse autour des grilles ne sont apparues qu’une dizaine d’années plus tard. Toutefois, le sujet des vitesses reste beaucoup moins traité que celui des pertes de charge et nous n’avons pas retrouvé d’études de courantologie de long de grilles inclinées munies de barreaux rectangulaires. La seule étude que nous ayons retrouvée pour ces grilles est celle de Breinig et al. (2003) qui étudient les grilles Johnson. Ce sont des grilles inclinées munies de barreaux à section triangulaire ayant un degré d’obstruction très élevé (jusqu’à 82 % dans cette étude). Les auteurs s’intéressent notamment à l’évolution des composantes tangentielle Vt et normale Vn de la vitesse le long de la grille.

Ces composantes sont normalisées par leur valeur théorique (Vt,th = V1cos(β) et Vn,th = V1sin(β)

respectivement, où V1 est la vitesse débitante amont) obtenue par décomposition géométrique du vecteur

de la vitesse débitante amont V1. Ils notent que pour β = 25 et 35°, Vn/Vn,th augmente légèrement de 0.95

à 1.25 le long de la grille (+30%). Cette augmentation est plus marquée à 15° où Vn/Vn,th va de 0.5 en

pied de grille à 1.5 en haut de la grille (+200%). Cela signifie qu’à β = 15°, l’écoulement a tendance à se concentrer sur la partie haute de la grille. Cette remarque est confirmée avec l’évolution des vitesses tangentielles Vt le long de la grille. En effet, à β = 15°, elles augmentent tout le long de la grille alors

qu’à 35°, les vitesses tangentielles sont maximum en milieu de grille et diminuent ensuite. En résumé, à 25 et 35°, l’écoulement est relativement homogène le long de la grille alors qu’à 15° il est beaucoup plus hétérogène avec un fort guidage vers le haut de la grille.

Pour le cas des grilles orientées, nous avons retrouvé quelques études supplémentaires. Certaines sont focalisées sur le comportement autour d’un ou de quelques barreaux alors que d’autres se concentrent plus sur la courantologie autour de la grille. Les premières ne donnent donc pas d’informations sur la courantologie globale à l’amont et à l’aval de la grille mais fournissent des résultats plus précis sur l’écoulement au sein de la grille, parfois négligé dans les autres études. Tsikata et al. (2009) se sont intéressés à une configuration de grille perpendiculaire au canal avec trois barreaux pouvant pivoter sur eux-mêmes. Ils ont testés plusieurs angles (de α = 90 à 78°) et ont comparé l’écoulement entre deux barreaux rectangulaires et deux barreaux profilés (uniquement à α = 90°). Leurs résultats montrent que la face amont des barreaux rectangulaires crée un décollement qui concentre la veine fluide entre les barreaux et génère d’importantes survitesses. Au contraire, il n’y a quasiment pas

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I.5 Des études sur les vitesses plus récentes

de décollement le long des barreaux profilés et les survitesses sont uniquement imputables à l’obstruction des barreaux. Lorsque les barreaux rectangulaires sont orientés, les décollements sont plus importants et sont concentrés sur une face du barreau. Les survitesses sont alors plus fortes que dans la configuration

α = 90°.

Katopodis et al. (2005) ont quant à eux étudié la totalité d’une grille, y compris son association avec un exutoire de contournement. Ils ont réalisé une étude expérimentale sur des grilles fortement orientées

(α = 10°, 17.5° et 27°) ayant de nombreux élements verticaux et horizontaux (« wedge wire screen »)

tout en conservant un degré d’obstruction raisonnable (32%). Pour les trois angles, ils ont noté une augmentation de la vitesse longitudinale U le long de la grille qui s’accompagne d’une augmentation des composantes Vt et Vn à la grille. L’augmentation de Vt entre l’amont et l’aval de la grille peut aller

jusqu’à 100% voire 150% en fonction des angles testés. Celle de Vn est beaucoup plus marquée avec des

vitesses normales quasi-nulles en début de grille et des vitesses normales jusqu’à 3 ou 4 fois supérieures en fin de grille.

Figure I-11 : Champs de vitesse mesurés par PIV (composante axiale normalisée par la vitesse débitante amont) extraits de Tsikata et al. (2009).

L’EPRI (2001) a aussi mené une étude expérimentale et numérique s’intéressant à la courantologie le long de grilles orientées et de louvers avec un angle α de 15 ou 45°. Pour les deux types d’ouvrages, ils ont aussi observé une augmentation de la vitesse le long de la grille qui peut aller de 25% à 75% en fonction des paramètres de la grille. L’intérêt supplémentaire de leur étude est qu’ils ont injecté diverses espèces de poissons et ont évalué le guidage des poissons vers l’exutoire. L’efficacité de ce guidage semble être similaire pour les grilles orientées et pour les louvers et tend à augmenter lorsque α ou e

Barreaux rectangulaires p = 50 mm; α = 90° b = 12 mm ; e = 58 mm Barreaux rectangulaires p = 76 mm ; α = 78° b = 12 mm ; e = 58 mm Barreaux rectangulaires p = 100 mm; α = 90° b = 12 mm ; e = 51 mm Barreaux profilés p = 100 mm; α = 90° b = 12 mm ; e = 51 mm

diminuent. A 15° la plupart des espèces testées étaient correctement guidées vers l’exutoire alors qu’à 45°, seules les Anguilles Américaines atteignaient l’exutoire, avec moins de 60% de réussite seulement.

Ces premières études se focalisent principalement sur la courantologie à l’amont de la grille qui affecte directement l’efficacité biologique de ces barrières physiques. Toutefois, si les grilles influencent l’écoulement amont, elles influencent bien entendu l’écoulement aval duquel dépend le rendement hydraulique de l’installation. Mais, en dehors d’une étude préliminaire réalisée à cette thèse (Chatellier et al. 2011), dans laquelle les vitesses à l’amont et à l’aval des grilles orientées étaient analysées, nous n’avons retrouvé que peu d’études sur les grilles orientées abordant ce sujet. Kriewitz et al. (2012) se sont intéressés à la courantologie amont et aval autour d’une grille orientée munie de barreaux horizontaux, à partir d’un modèle réduit de centrale hydroélectrique. Leurs mesures de vitesse concordent avec les observations précédentes : l’écoulement amont se concentre vers le coin aval de la grille engendrant des vitesses normales trop importantes pour les poissons dans cette zone. Ils analysent ensuite l’écoulement à l’aval de la grille et discriminent quatre sous-sections d’écoulement. Ils en déduisent les différences entre les débits traversant chacune de ces sous-sections et les comparent avec les critères admissibles pour la turbine. Sans modification de la grille orientée, ils observent un écoulement asymétrique nuisible pour les performances de la turbine. Ils ont ensuite réussi à solutionner une partie de ces problèmes à l’amont et à l’aval de la grille en effectuant quelques modifications de l’installation (abaissement du niveau du fond du canal pour augmenter la section mouillée, mur de guidage à l’aval de la grille, …).

Figure I-12 : Iso-contours de vitesse et répartitions des débits (pourcentages) dans une section transversale à l’aval d’une grille orientée (source : Kriewitz et al. 2012). La répartition des débits est clairement asymétrique et dépasse les

critères admissibles indiqués sous chaque figure et extraits de la même source.

Que ce soit pour les grilles inclinées ou orientées, l’effet de l’angle de la grille sur la courantologie semble être double. D’une part, diminuer l’angle que fait la grille avec la paroi peut détériorer les

Différence maximum entre chaque moitié : 5 %

Écart maximum dans un quart d’écoulement : 10 %