Cette section vise à présenter le dispositif expérimental dans lequel ont été réalisées les expériences.
Le canal hydraulique est situé au sein de la plateforme de Mécanique des Fluides Environnementales de l’IMFT. Cette plateforme a l’avantage de permettre la réalisation de mesures dans un environnement contrôlé en température et en luminosité. Le labora-
toire dans lequel est situé la veine hydraulique est fermé, et donc également à l’abri de la poussière.
Figure 3.9 – Schéma 3D du canal hydraulique de la Plateforme de Mécanique des Fluides (PMFE) de l’IMFT (avec l’aimable autorisation de M. Belliot pour son utilisation dans ce manuscrit de thèse).
La figure 3.9présente une vue 3D du canal hydraulique. Le dispositif expérimental est composé d’une veine hydraulique de 26 m de long, 1,10 m de large et 0,50 m de profondeur. La turbulence à l’entrée du canal n’est forcée par aucun dispositif. La turbulence étudiée est donc seulement celle générée par les rugosités de fond. La pente du canal est de 0,17◦,
ce qui correspond à une pente de 0,3 %. L’eau est acheminée depuis la cuve de stockage aval vers la cuve amont grâce à un système hydraulique constitué par des conduites. Le circuit hydraulique possède deux types de fonctionnement : l’un pour les faibles débits (de 1 L.s−1 à 30 L.s−1) et l’autre pour les forts débits (au-delà de 30 L.s−1). Avant de
rentrer dans la veine hydraulique, l’eau passe par la cuve amont, qui possède un réservoir de stockage d’eau, une zone de tranquillisation, puis un convergent qui guide l’eau depuis la zone de tranquillisation jusqu’à la veine hydraulique. Un rail permettant de déplacer le banc de mesure a été installé tout le long de la veine hydraulique.
De l’amont à l’aval, la veine hydraulique est constituée d’une section de 2 m de PVC, puis de quatre sections de P lexiglas®de 2 m de long. A ces sections succèdent deux sections de verre de 4 m de long et d’épaisseur 1,5 mm. Ensuite vient la section de mesure de 1,20 m de long à laquelle succède une section de verre de 4 m de long, et une dernière section de P lexiglas®de 2 m. La condition aux limites aval est constituée par un seuil réglable dont la course totale est de 45 cm. L’étanchéité est réalisée par un joint gonflable. La génération du débit est faite grâce à une pompe dont la gamme de débits est comprise entre 1 L.s−1 et 150 l.s−1. La régulation du débit est faite par un système de
type PID (Proportionnel Intégrale Dérivée) relié à la pompe. Les caractéristiques de la pompe montrent que son régime nominal est de Q = 150 L.s−1. Or, le dimensionnement
0,33, i.e. 3 < D < 6 avec les hauteurs d’eau en cm), les débits doivent être compris entre environ 2 L.s−1 et 20 L.s−1 (voir section 3.1.3). Travailler avec cette pompe jusqu’à cette
gamme de débits pourrait avoir un fort impact sur la stationnarité du débit. Atteindre ces régimes de submersion apparaît donc comme un défi technique. Cela nous amène à considérer un peu plus en détail la régulation du système.
Figure 3.10 – Schéma de principe de fonctionnement du canal et de la régulation du débit au sein du dispositif expérimental (pas à l’échelle).
avec (i), (iii), (iv) et (v) les vannes de régulation de type guillotine, (ii) une vanne papillon avec une ouverture variable d’incrément 15 % (allant de 0 % pour une totale ouverture à 100 % pour une totale fermeture) et (vi) : vanne papillon à deux positions (ouvert ou fermé).
La figure 3.10 présente un schéma de principe de la régulation du débit au sein du dispositif expérimental. En raison des caractéristiques de la pompe dont le débit nominal est situé à 150 L.s−1, le canal possède deux modes de fonctionnement : un pour les faibles
débits (de 0 L.s−1 à 30 L.s−1) et l’autre pour les forts débits (de 30 L.s−1 à 150 L.s−1).
Pour l’explication de la régulation du système, on se place dans le fonctionnement du canal en bas régimes qui correspond aux régimes de submersion souhaités. Dans ce
mode de fonctionnement, l’eau transite seulement par la tuyauterie dessinée en noir. La tuyauterie rouge est condamnée par la vanne (iii), i.e. vanne fermée à 100 % et Q4 = 0
L.s−1.
Le débit en sortie de pompe est noté Q1. Au passage du coude en té, le débit se divise
en 3. Les débits sont alors notés Q2, Q3 et Q4 et reliés par Q1 = Q2 + Q3 + Q4. Cette
relation peut se réécrire Q1 = Q2+ Q3 dans notre configuration. Les débitmètres associés
aux débits Q1 et Q2 sont référencés sur la figure3.10 débitmètres n◦1 et n◦2.
L’armoire où se situe l’automatisme est reliée aux débitmètres n◦1 et n◦2. Les don-
nées de ces deux débitmètres sont accessibles grâce à une carte convertisseur analo- gique/numérique. Seul le débitmètre n◦1 participe à la régulation du débit. Le débit
dans le canal est donc seulement régulé par le débitmètre n◦1. La régulation est bran-
chée sur la fréquence de la pompe, et adapte cette dernière en permanence de manière à respecter la consigne d’entrée de débit donnée par l’utilisateur (consigne pouvant être réglée à ± 0,10 L.s−1). Les caractéristiques de la pompe (Q
nominal = 150 L.s−1) oblige à
travailler à des débits élevés en sortie de pompe (Q1 > 45 - 50 L.s−1) afin de garantir
un bon rendement synonyme de débits stationnaires. Après de nombreux tests, le débit Q1 ne doit pas être inférieur à 50 L.s−1 sous peine que le rendement de la pompe soit
trop faible. On comprend donc maintenant que si l’on souhaite obtenir un débit dans le canal inférieur à 20 L.s−1 (Q
2 < 20 L.s−1 ), il va être nécessaire de détourner de l’eau
directement à la sortie de la pompe et la renvoyer dans la cuve aval, i.e. Q3 = Q1 - Q2.
Cela signifie que le débit dans le canal Q2 n’est plus égal à Q1. Afin de mesurer le débit
dans le canal, toute l’eau doit maintenant transiter par le débitmètre n◦2, ce qui oblige à
fermer complètement la vanne (iv). Pour les expériences, le débit Q1 est de l’ordre de 60
L.S−1, le débit Q
2 compris entre 2 L.s−1 et 20 L.s−1 environ et le débit Q3 le complémen-
taire de Q1 et Q2. On ne s’intéressera pas au débit Q3 dans la suite de l’étude qui a été
gardé constant durant toutes les expériences afin de pouvoir réaliser toujours les mêmes réglages.