UTILISATION DE L'INTENSIMÉTRIE DU BRUIT HYDRAULIQUE GÉNÉRÉ PAR UNE POMPE CENTRIFUGE DANS UN CIRCUIT

HAL Id: jpa-00230610

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00230610

Submitted on 1 Jan 1990

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

UTILISATION DE L’INTENSIMÉTRIE DU BRUIT HYDRAULIQUE GÉNÉRÉ PAR UNE POMPE

CENTRIFUGE DANS UN CIRCUIT

G. Caignaert, N. Ghelici, D. Stevenaert, J. Barrand

To cite this version:

G. Caignaert, N. Ghelici, D. Stevenaert, J. Barrand. UTILISATION DE L’INTENSIMÉTRIE DU

BRUIT HYDRAULIQUE GÉNÉRÉ PAR UNE POMPE CENTRIFUGE DANS UN CIRCUIT. Jour-

nal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1185-C2-1188. �10.1051/jphyscol:19902278�. �jpa-

00230610�

COLLOQUE DE PHYSIQUE

C o l l o q u e C2, s u p p l é m e n t au n ° 2 , Tome 5 1 , F é v r i e r 1 9 9 0 C2-1185 1er Congrès Français d'Acoustique 1990

UTILISATION DE L»INTENSIMÉTRIE DU BRUIT HYDRAULIQUE GÉNÉRÉ PAR UNE POMPE CENTRIFUGE DANS UN CIRCUIT

G. CAIGNAERT, N. GHELICI, D. STEVENAERT e t J . P . BARRAND

L a b o r a t o i r e d e Mécanique d e Lille, ENSRM, 8 Boulevard Louis XIV, F-59046 Lille Cedex, France

Résumé : L'intensité hydro-acoustique en conduite permet de caractériser l'énergie des fluctuations de pression e t de débit qui se propagent dans un c i r c u i t d ' e s s a i s de pompes. La mesure de c e t t e i n t e n s i t é à partir de capteurs de pression e s t possible) en u t i l i s a n t un modèle d'ondes planes en conduites : c e t t e méthode a pu être validée sur l a boucle d ' e s s a i s de çompes SESAME, après modification de l ' i n s t a l l a t i o n de façon à en réduire l e caractère trop réverbérant. Des développements en cours en vue constitue une pompe en fonctionnement sont proposés.

Abstract : The energy flux of the flow fluctuations that are propagating in a pump test-rig can be characterized by the hydro-acoustic intensity. The measurement of intensity is done by using pressure transducers and a modelisation by the plane wave theory in the ducts : the method has been used on SESAME test-rig, after some modifications in order to reduce the reflected waves within the pipes upstream, and the hydraulic noise source of a pump.

1. INTRODUCTION

L'analyse des fluctuations de pression dans les conduites d'aspiration et de refoulement d'une pompe centrifuge doit permettre de caractériser la machine en tant que source de fluctuations de pression et de débit. Les interactions importantes entre la pompe et le circuit sur lequel elle fonctionne nécessitent des traitements spécifiques.

La boucle d'essais de pompes SESAME du Laboratoire de Mécanique de Lille a été conçue en vue de permettre une interprétation aussi aisée que possible des mesures de fluctuations de pressions en conduite. La figure 1 présente un schéma de cette installation en boucle fermée. Chaque pompe en essais est reliée à deux réservoirs (l'un à l'aspiration et l'autre au refoulement) par des tuyauteries rectilignés. Ces réservoirs assurent un bon découplage entre la pompe et les autres sources de bruit de l'installation (en particulier les vannes utilisées pour le réglage du point de fonctionnement de la machine), comme le montrent bien les modélisations et les analyses expérimentales effectuées dans le cadre d'un groupe de travail de la Société Hydrotechnique de France (/4/). Compte-tenu des fréquences peu élevées qui caractérisent le fonctionnement dynamique des pompes essayées (fréquence de rotation, fréquence de passage des aubes et' leurs harmoniques), il est possible d'utiliser une modélisation assez simple du circuit par des matrices de transfert issues des hypothèses classiques d'analyse des phénomènes propagatifs par ondes planes (/5/), et de limiter le circuit aux 2 conduites et à la pompe. La figure 2 illustre un exemple des possibilités ainsi offertes par cette analyse simplifiée (/2/) : on peut ainsi obtenir l'évolution des amplitudes de fluctuations de pression le long des deux conduites pour diverses fréquences et la mise en évidence des fréquences de résonance hydraulique de l'installation. La distribution des amplitudes de fluctuations de pression le long des conduites (figure 2 (b)), dans l'hypothèse où la liaison entre ces conduites et les réservoirs se traduit par un coefficient de réflexion égal à 1 (réverbération parfaite), montre bien qu'il est vain de vouloir caractériser la source de fluctuations que constitue la pompe par une simple mesure de pression en un point de chaque tuyauterie. Il est absolument nécessaire de pouvoir caractériser le régime d'ondes qui est obtenu dans chaque tuyauterie en utilisant par exemple une technique intensimétrique.

2. INTENSIMETRIE HYDRO-ACOUSTIQUE EN CONDUITE

Les fluctuations de pression mesurées en divers points de chacune des deux conduites métalliques {aspiration et refoulement) peuvent être identifiées à un modèle d'ondes planes et représentées pour chaque fréquence particulière par une expression de la forme suivante :

(1)

avec : x l'abscisse le long d'une conduite ; t le temps ; co la pulsation ; c la célérité des ondes ; k = co/c le nombre d'ondes

Bj et Br des fonctions complexes de co ; Re partie réelle ; i2=-1

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902278

COLLOQUE DE PHYSIQUE

On a ainsi une superposition d'une onde progressive (propagation dans le sens des x croissants) et d'une onde régressive. Le coefficient de reflexion R dans une section donnée est le rapport des représentations complexes de ces deux ondes :

R

L'amplitude de R ne dépend pas de la section considérée. L'intensité hydro-acoustique 1 peut alors être définie à 1 aide de Br et Bi (référence / 6 / ) :

1 = {

II

1l2 - II

112

Avec les hypothèses du modèle d'ondes planes, 1 est indépendante de la section tout le long d'une conduite et peut donc être utilisée pour caractériser le bruit hydraulique d'une pompe dans son circuit d'essais. Sur la boucle SESAME, nous utilisons des mesures de fluctuations de pression en trois points régulièrement répartis de la conduite étudiée (figure 3). La célerité des ondes C est déterminée en utilisant les fonctions de transfert entre le capteur central 2 et chacun des deux autres capteurs, Hiz et H32, selon un principe défini par MARGOLIS ET BROWN (référ.ence, /7/) ; la somme Hi2tH3z est identifiée, par une technique de moindres carrés, à la loi theorique 2cos(kl) avec 1 la distance entre le capteur central et, un autre capteur, après élimination des frequences pour lesquelles d'une part la cohérence est trop faible et d'autre part la partie imaginaire de (Hlz tHs2) est trop élevée.

L'intensité hydro-acoustique et le coefficient de réflexion sont alors obtenus, fréquence par fréquence, en utilisant la fonction de transfert entre deux des 3 capteurs (Hiz, Hsz ou H31) et la valeur RMS des fluctuations de pression en l'un des 3 capteurs

.

informations (3 capteurs à l'aspiration et 3 capteurs au refoulement) sont obtenues simultanément et les fonctions de transfert nécessaires au traitement intensimétrique sont calculées en utilisant une technique HV qui permet d'améliorer la cohérence des résultats.

3. APPLICATION A LA CARACTERISATION DU BRUIT HYDRAULIQUE GENERE PAR UNE POMPE.

La technique intensimétrique se révèle inapplicable lorsqu'on cherche à l'utiliser dans un circuit parfaitement réverbérant. Ceci était le cas au démarrage de la boucle SESAME, et il nous a fallu très rapidement mettre en oeuvre des moyens de réduction des coefficients de réflexion à la jonction entre tuyauteries et réservoirs. Ceci peut être falt en utilisant des terminaisons anéchoïques pour liquides (T.A.L) mises au point au CETIM. Dans notre cas, nous avons pu diminuer notablement la réverbération du circuit en prolongeant les tuyauteries métalliques dans les réservoirs par des tuyauteries constituées d'un matériau de type visco-élastique (référence /3/). Le tableau 1 illustre un exemple de résultats intensimétriques obtenus lors d'un essai de pompe sur la boucle SESAME : on voit que les divers couples de capteurs utilisables donnent des résultats fort voisins pour les fréquences intéressantes de la machine, tant à l'aspiration (conduite de 250 un de diamètre munie d'une T.A.L.) qu'au refoulement (conduite de 200 nm de .diemètre prolongée par une conduite visco-élastique). Il faut remarquer toutefois que l'ut?lisation de la fonction de transfert entre les capteurs extrêmes permet d'améliorer la précision des résultats pour les fréquences les plus basses. Compte-tenu de l'ensemble des résultats obtenus, on peut dire que la comparaison des intensités mesurées à l'aspiration et au.refoulement d'une machine a un sens et r r m e t d'une part de voir l'évolution de la génération de bruit en fonction des conditions e fonctionnement (débit et vitesse de rotation) pour autant que les fréquences auxquelles on s'intéresse ne correspondent pas à des zones de résonance hydraulique du circuit. De même, la comparaison de diverses machines sur un même circuit peut être effectuée. Toutefois, cette technique intensimétrique ne permet pas de caractériser la source du bruit (ici la pompe) de façon intrinsèque : l'intensité est le reflet du couplage entre la machine et le circuit. La figure 4 montre ainsi l'évolutiqn du rapport. entre l'intensité de la source du bruit et l'intensité mesurée en conduite en fonction du coefficient de réflexion R (supposé réel ici) en extrémité de conduite, en supposqt une condition de réverbération parfaite au niveau de la source. La caractérisation intrinsèque de la source nécessite des traitements complémentaires u.tilisant par exemple une matrice de transfert connue de la machine étudiée. Les travaux décrits dans la référence /8/ illustrent cette méthode. Toutefois, les auteurs de la référence / 8 / utilisent p u r 1 inst* une matrice de transfert simplifiée pour représenter la pompe. Une déteraination plus précise.de ces matrices de transfert .de pompe passe par l'utilisation d'excitateurs sur les circuits d'essais, de façon B pouvoir caractériser la machine aux diverses fréquences intéressantes.

La mise au point d'un piston d'excitation, utilisable sur les tuyauteries de la boucle SESAME, est maintenant terminée (figure 5 ) et des premiers travaux pour l'obtention des matrices de transfert sont en cours.

4. CONCLUSION

L'étude de la propagation des 'fluctuations de pression et de débit dans le circuit de fonctionnement d'une pompe centrifuge peut être effectuée avec précision sur la boucle SESAME de notre laboratoire. La conception initiale de cette installation et les améliorations ultérieures (réduction des conditions de réverbération au. niveau des réservoirs d'as iration et de refoulement) permettent une bonne caractérisation des flux d'énergie de ffuctuations par utilisation de techniques intensieétriques uti1is.t des capteurs de pression. L'association de ces résultats à un. modèle, de type matrice de transfert hydrauli ue, permet de remonter B une caractérisation de la machine en tant qie source de bruit hyiraulique : une détermination expérimentale plus précise de ces oatrices de transfert est en cours de développement à l'aide d'une aéthode utilisant des excitateurs développés au laboratoire.

REFERENCES

/1/ DESMET B. ' CAIGNAERT G. ; OUAKED R. ; STEVENAERT D. ; BARRAND J.P.

M6thodes expérimentales d'analyses des fluctuations de l'écoulement dans un circuit de pompe centrifuge.

Revue Française de Mécanique ; Nol ; 1989 ; p.39-45.

/2/ CAIGNAERT G. ; DESMET B ; OUAKED R. ; STEVENAERT D. ; BARRAND J.P.

Caractérisation du bruit hydraulique d'une pompe centrifuge sur la boucle SESAME.

XXèmes journées de l'Hydraulique; Lyon; 4-6 avril 1989; p. 11.12.1-11.12.6.

/3/ CAIGNAERT G. ; DESMET B. ; BARRAN? J.P: ; 0UAKED.R: ; STEVENAERT D.

Experimental determination of hgdraulic noise of centrifu al pumps INTERNOISE 88 ; AVIGNON ; 30 aout-ler Septembre 1988 ; ~of.2 ; p.66i-670.

/4/ Rapport d'activités 1988 du département Acoustique de la Direction des Etudes et Recherches de l'EDF.. p. 22-25.

/5/ DESMET B. ; TEPHANY F. ; TROLLE J.L.

Mécanismes d'interaction d'une pompe et d'un circuit. Modèles théoriques.

La Houille Blanche ; n03/4 ; 1988 ; p. 251-263.

/6/ OUAKED R.

Etudes des phénomènes propagatifs en conduite dans un circuit hydraulique : intensité hydro- acoustique.

Thèse de doctorat ; Université des Sciences et Techniques de Lille Flandres Artois ; 7 Juillet 1989.

/7/ MARGOLIS D.L ' BROWN F.T.

Measureients of the propagation of long-wavelenght disturbances through turbulent flows in tubes.

ASME Journal of fluids engineering ; Mars 1976 ; p. 70-75.

8/ TROLLE J.L ; BOYER A. ; BIRNIE-SCOTT X.

Détermination de la matrice de transfert et de la source hydro-acoustique de la pompe alimentaire N4 Bergeron-Rateau.

XXèmes journées de l'Hydraulique ; Lyon ; 4-6 avril 1989 ; p.II.ll.l-11.11.8.

Figure 1

.

COLLOQUE DE PHYSIQUE

conduite conduite d'aspiration Lpmpe] dq refouleme

Figure 2

.

10.

fréquence (Hz1 500

/tirant

1

Figure 5

.

pompe

réservoir

1 2 3

Figure 3

.

TABLEAU 1 : cornparalm de rullumatlondeeveraesfondIon(~ da trane-ieit pourlecalcui derlniensB6 l~dmamm4ue

20

10 -

O

Figure 4

.

1 1 1 1 1 1

O

0 2

1

O, 4 O, 6 O, 8