HYDROTECHNIQUE
VANNAGES PNEUMATIQUES
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SIPHONS PARTIALISES
Jean Durot
Béhoust . Juin 1996
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AVANT - PROPOS
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Cet ouvrage de mémoire traite de l’utilisation du vieux principe hydraulique du siphon pour véhiculer et contrôler des débits plus ou moins importants d’eaux plus ou moins chargées et des applications industrielles réalisées dans les domaines du traitement des eaux et des réseaux dans les années 1950 à 2000.
En Nov. 1952, Yves Ponsar, Ingénieur hydraulicien, présente au Comité Technique de la Société Hydrotechnique de France, un mémoire sur ses “Etudes récentes sur des siphons et appareils dérivés”.
(Paru dans la revue La Houille Blanche n° spécial A / 1953)
Dans ce mémoire, l’auteur jetait les bases de la “régulation hydropneumatique” des siphons partialisés, technique au développement de laquelle il travaillera jusqu’à son dernier jour, le 3 Mai 1983.
La première application sera développée sur les filtres d’eau potable (module Polhydra des années 50) avec la Société Chabal, en collaboration avec Y.Moan.
Une évolution technique adaptée autorisera ensuite les applications en eaux chargées, par la Société Générale d’Epuration et d’Assainissement dans les années 1960 et par la Société Degremont dans les années 1970 et 1980.
Pendant presque vingt-cinq ans, j’ai eu la chance de pouvoir collaborer avec Yves Ponsar . Le présent document traite en détail cette technologie de régulation hydropneumatique, utilisée jusqu’aux années 1990 (voir au chapitre 5. Nouveaux développements)
Pour les premières applications, j’ai puisé largement dans des mémoires, articles et conférences de Mr.Y.Ponsar et de son collaborateur des années 60, Mr.Y.Moan .
Je remercie par ailleurs la Société Degrémont pour son accord sur la parution de l’ouvrage, la technologie décrite étant le plus souvent celle mise en oeuvre dans les installations réalisées par Degrémont lorsque j’y étais Ingénieur.
Jean Durot Juin 1996
* Retraité, né en 1931
ex . Ingénieur Exécut . Sté SGEA 1950 - 1970 ex . Ingénieur R et D . Sté Degrémont 1970 - 1985 ex . Conseiller Techn. . Lyonnaise des Eaux 1985 - 1990
Hydrotechnique
VANNAGES HYDROPNEUMATIQUES SIPHONS PARTIALISÉS
Sommaire
et Liste des Figures
--- Pages
- Avant-Propos p. 2
- Sommaire p. 3
- Liste des figures p. 4
- Notations p. 6
- Introduction p; 7
- Chapitre 1 Les vannages pneumatiques (Principes) p. 9
1 Vannages pneumatiques par tout ou rien p. 10
2 Siphon clapet p. 12
3 Les siphons déprimés partialisés p. 14
3.1 Généralités p. 15
3.2 Loi Débit d’air sortant / Débit d’air entrant p. 16
3.3 Siphons partialisés “ non autostables “ p. 19
3.4 Siphons partialisés “ autostables “ p. 20
- Chapitre 2 Les siphons régulateurs de débit p. 25
1 Généralités p. 25
2 La partialisation par soupape d’entrée d’air p. 27
3 Siphon régulateur Neyrpic - Degrémont p. 28
4 Siphon régulateur Polhydra de Chabal p. 29
5 Les siphons régulateurs à régulation pneumatique
Procédés SGEA - Degrémont p. 30
6 Amorçage p. 33
- Chapitre 3 Principes de la Régulation pneumatique p.35
1 Généralités p. 35
2 Régleur hydropneumatique p. 36
3 Pilotage du régleur hydropneumatique p. 37
3.1 Principe du transformateur hyfrostatique p. 38 3.2 Le transformateur Pression - Dépression p. 39
3.3 Le transformateur Pression - Pression p. 40
3.4 Le pilote universel p. 41
3.5 Application des transformateurs hydrostatiques p. 43 3.6 Pilotage par transformateurs hydrodynamiques p. 44
4 Pilotage direct p. 45
5 Pilotage relayé p. 45
5.1 Application p. 45
5.2 Relais à huile p. 46
5.3 Canne à mercure p. 47
6 Contrôle pneumatique de niveaux liquides p. 47
Voir suite
Sommaire
(Suite)- Chapitre 4 Technologie de la régulation pneumatique p.50
1 Généralités p. 50
2 Siphon p. 51
2.1 Détails de construction du siphon p. 51
2.2 Caractéristiques hydrauliques p. 51
2.3 Caractéristiques pneumatiques p. 53
2.3.1 Dépressions internes p. 53
2.3.2 Débit d’ air sortant p. 55
3 Vanne de désamorçage manuel p. 56
4 Dispositifs d’ amorçage p. 57
4.1 Air à extraire p. 57
4.2 Dépression p. 59
4.3 Dispositifs d’ amorçage p. 59
4.3.1 Auto-amorçage par surverse p. 59
4.3.2 Tireur hydraulique p. 60
4.3.3 Ejecteurs dynamiques p. 64
4.3.4 Dépresseurs mécaniques . Aspirateurs p. 65
5 Régleurs hydropneumatiques p. 66
5.1 Détermination du régleur p. 68
5.2 Installation du régleur p. 69
6 Pilotage du régleur . Différents montages p. 69
6.1 Montages avec pilotage direct p. 70
6.2 Pilotages relayés p. 72
6.2.1 Relais à huile p. 72
6.2.2 Canne à mercure p. 74
6.2.3 Montages avec pilotage relayé p. 76
7 Accessoires et détails d’ installation p. 78
7.1 Canne de palpage p. 78
7.2 Tuyauteries de pilotage p. 78
7.3 Diaphragmes p. 78
7.4 Robinetterie p. 79
7.5 Limiteurs de pression p. 79
7.6 Ejecteurs d’ amorçage sur air surpressé p. 79
8 Mesure de débit sur siphon p. 79
- Chapitre 5 Nouveaux développements p. 81
Soupape ou vanne ?
- Chapitre 6 Exemples de réalisation p. 86
1 Traitements d’eaux potables p. 86
2 Epuration d’eaux résiduaires p. 91
3 Eaux pluviales et divers p. 104
- Annexes p. 109
Annexe 1 : Régulation pneumatique . Pilotages directs p. 110 Annexe 2 : Régulation pneumatique . Pilotages relayés p. 113 Annexe 3 : Exemples d’applications en traitements d’eaux potables p. 117
Annexe 4 : Siphons en parallèle p. 118
Annexe 5 : Rappels d’erreurs à éviter . Maintenance p. 122
- Bibliographie p. 126
- Figures pages 128 à 178
- Photos pages 180 à 188
Voir suite - Figures
Figures
(pages 128 à 178) Page du texte concernéeFig. 1 Vannages pneumatiques . Principes. p. 9
Fig. 2 Bonde siphoïde à compression p. 11
Fig. 3 Siphon comprimé limiteur de débit p. 11
Fig. 4 Bonde siphoïde à dépression p. 12
Fig. 5 Siphon clapet p. 12
Fig. 6 Siphon déprimé partialisé . Principes de fonctionnement . p. 14
Fig. 7 Loi Débit d’ air sortant / Débit d’ air entrant p. 16
Fig. 8 Siphon non autostable , partialisation par la lèvre amont p. 19 Fig. 9 Siphon non autostable , partialisation par tubulure T p. 19
Fig.10 Siphon Bénitier p. 20
Fig.11 Courbes Débit / Niveaux du siphon bénitier p. 21
Fig.12 Partialisation par les commissures p. 22
Fig.13 Partialisation par soupape d’entrée d’air . Principe . p. 26
Fig.14 Réglage de niveau classique par vanne p. 26
Fig.15 Soupape Neypic - Degrémont p. 28
Fig.16 Régulation pneumatique sur siphon de filtre p. 30
Fig.17 Siphon à régulation pneumatique . Schéma des constituants . p. 30
Fig.18 Dispositifs d’ amorçage . Principes . p. 34
Fig.19 Régleur hydropneumatique . Principe . p. 36
Fig.20 Vase de Mariotte et Transformateur hydrostatique . Schéma s . p. 38
Fig.21 Pilote universel . Principe . p. 41
Fig.22 Transformateur hydrodynamique . Principe p. 44
Fig.23 Régulation hydropneumatique . Pilotage direct . Principe . p. 45 Fig.24 Régulation hydropneumatique . Pilotage relayé . Principe . p. 45
Fig.25 Convertisseurs hydropneumatiques . Principes p. 47
Fig.26 Palpage pneumatique de niveau . Microcompresseur hydraulique p. 47
Fig.27 Siphon . Construction métal p. 51
Fig.28 Auto-amorçage par surverse p. 59
Fig.29 Tireur hydraulique p. 60
Fig.30 Tireur d’air p. 63
Fig.31 Ejecteurs à air Basse pression . Exemples de courbes de débit p. 64
Fig.32 Dépresseur mécanique . Installation p. 65
Fig.33 Régleurs hydropneumatiques p. 66
Fig.34 Siphons en parallèle . Pilotage direct . Variante p. 70
Fig.35 Relais à huile hydrostatiques . Schémas p. 72
Fig.36 Pilotage relayé . Palpage hydrostatique du niveau p. 77
Fig.37 Pilotage relayé . Commande par l’aval p. 77
Fig.38 Accessoires d’installation p. 78
Fig.39 Mesure de débit p. 79
Fig.40 Soupape d’entrée d’air pilotée par vanne de régulation p. 83 Fig.41 Soupape d’ entrée d’air pilotée par convertisseur hydraulique statique . p. 85 Fig.42 Tripoli (Liban). Régulation filtres . Commande par l’ aval . p. 87
Fig.43 Bassins de Clichy . Siphons de trop plein p. 92
Fig.44 Station expérimentale de Colombes . Alimentation décanteurs p. 94
Fig.45 Siphon de recyclage sur lit bactérien p. 100
Fig.46 Station de Valenton . Bonde siphoïde de sécurité p. 103
Fig.47 Canal St Denis . Dérivation Ecluse n° 5 p. 105
Fig.48 Réseaux d’ assainissement de Seine St Denis p. 107
Fig.50 Pilotages directs . Principes (a et b) (Annexe 1) p. 110 Fig.51 Pilotages relayés . Principes (a et b) (Annexe 2) p. 113
Fig.52 Eau potable. Régulations Polhydra (Annexe 3) p. 117
Fig.53 Siphons en parallèle . Schéma (Annexe 4) p. 118
Fig.54 Siphons en parallèle . Régulation en boucle (Annexe 4 ) p. 120 ______________________
Notations
A Largeur branche aval du siphon rectangulaire E Hauteur du seuil NS à l’intrados du siphon S1 Branche amont du siphon
S2 Branche aval du siphon
T Tuyau de partialisation (siphon partialisé simple )
HP Régleur hydropneumatique ( sections utiles S1 . S2 . S3 ) C Cuvette ou réservoir en pression ( section utile S5 ) ]
G Tube en dépression ( section utile S4 ) ] Transfo. hydrostatique F Canne de bullage dans le mercure ou dans l’ huile ]
D Dépression interne dans le siphon d Dépression-pilote
do Dépression équilibrante
H Perte de charge totale N1 - N4 h Hauteur d’ eau
h Hauteur de lame déversante
h Hauteur de chûte à l’aval du déversoir du siphon
hp Hauteur de bullage sous N2 ( montage avec palpage de lame déversante interne )
N Niveau liquide
No Niveau liquide de référence
Ns Crête du seuil de déversement intérieur N1 Niveau liquide amont
N1M Niveau liquide amont maximal
N2 Niveau liquide intérieur siphon . Branche amont N3 Niveau liquide intérieur siphon . Branche aval N4 Niveau liquide aval de restitution
P Pression
Pp Pression-pilote .... introduite au régleur d’ entrée d’ air
PL Pression de limitation “ “ “ “ “
Pt Pression temporaire de limitation ( redémarrage lent de filtre avec Polhydra ) Pc Pression de palpage canne
Po Pession initiale
Ps Pression de soutien de l’équipage mobile du régleur Pa Pression introduite à la capacité C du transfo Pb Pression introduite par F à la capacité G du transfo Pr Pression résultante
mCE Expression d’une pression en mètres de Colonne d’Eau
Qe Débit d’eau Qa Débit d’air
Qs Débit d’air sortant maximal q Taux d’aération Qa / Qe m Coefficient de débit V Vitesse de l’eau V Volume liquide
r Masse spécifique
t Taux de compression d’air
h Rendement
Wh Puissance hydraulique Wp Puissance pneumatique
X Diaphragme de limitation de débit d’air et la perte de charge correspondante Y Diaphragme de limitation de transfert de débit liquide entre C et G (Transfo)
Vannages hydropneumatiques Siphons partialisés
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Introduction
Dans bon nombre d’écoulements d’eaux gravitaires (traitements d’eaux potables et d’eaux résiduaires, canaux d’irrigation, d’évacuation, de circulation, etc ...), la plupart des vannages utilisés n’exigent qu’une faible résistance mécanique, car les ouvrages sont généralement ouverts à l’air libre, peu profonds, à écoulement libre; les charges hydrauliques ne dépassent pas quelques mètres, et les pertes de charge sont de l’ordre de quelques décimètres de hauteur d’eau .
Par contre, les débits transités sont relativement importants et nécessitent des grandes sections de passage.
Les vannages conventionnels (genre vannes-rideaux) sont souvent utilisés, mais des vannages hydropneumatiques, utilisant le principe du siphon, peuvent apporter des solutions mieux adaptées à certains problèmes .
Ces derniers peuvent couvrir une large gamme de débits (par exemple de quelques litres/sec à plus de 20 m3/sec) en ne créant qu’une perte de charge limitée (de l’ordre du décimètre de colonne d’eau) et présentent plusieurs avantages sur les vannes-rideaux, en particulier :
- ils ne possèdent aucune pièce mécanique mobile immergée : pas d’usure, protection aisée contre la corrosion,
- les frottements mécaniques, susceptibles d’entraîner une usure rapide dans le cas de manoeuvres fréquentes (vanne-rideau de régulation d’un plan d’eau, par exemple), sont éliminés,
- ils sont à l‘abri de toute obstruction par des corps étrangers, la large section de passage étant toujours libre, même à faible débit .
Le principe de ces vannages pneumatiques est simple : une poche d’air de volume variable, maintenue en point haut dans un conduit en siphon, permet d’obtenir l’interruption ou éventuellement le réglage du débit d’eau transité .
Mais son application doit être étudiée et réalisée avec rigueur et soin car le mariage de l’air et de l’eau est par nature fugace et difficilement assimilable à une interprètation mathématique .
Les théories hydrauliques d’une part, pneumatiques d’autre part, parviennent le plus souvent, plus ou moins précisément, à rendre compte des comportements du milieu liquide et du milieu gazeux, et à reproduire à l’échelle la plupart des phénomènes physiques remarquables .
Cette précieuse similitude se trouve malheureusement en défaut dès que les deux milieux se mélangent et la compréhension des phénomènes, l’évaluation des transferts d’énergie entre les deux fluides, en regard des conditions mises en jeu, sont parfois justifiables d’une expérimentation à échelle grandeur .
Il faut bien différencier les vannages pneumatiques “par tout ou rien“ (agissant comme une vanne ouverte ou fermée), dans lesquels l’air n’est utilisé que pour bloquer le débit d’eau, et les vannages “régulateurs“ de débit, qui nécessitent une maîtrise permanente du mélange des deux fluides au moyen de systèmes de “partialisation“ plus ou moins complexes .
Les premiers sont aisément adaptables en suivant quelques règles simples .
La réalisation et l’utilisation des seconds impliquent une suffisante connaissance théorique, expérimentale et pratique des procédés .
Le présent ouvrage donne d’entrée, en quelques pages (voir au chapitre 1), quelques notions de base sur les vannages simples par “ tout ou rien “.
Mais il porte essentiellement sur les vannages régulateurs , utilisant le principe du siphon déprimé partialisé, réalisés des années 1960 aux années 1980, et dans lesquels la partialisation est obtenue au moyen de dispositifs hydropneumatiques, brevetés à l’origine par leur inventeur Y. Ponsar .
Cette technique particulière, développée en son temps par un nombre restreint de constructeurs Français (successivement Chabal, SGEA, Degrémont), n’est actuellement plus utilisée depuis quelques années, mais de nouveaux développements (par exemple sur les idées exposées au chapitre 5) pourraient être envisagés .
Divers dispositifs annexes fonctionnant, inversement des précédents, par action de l’eau sur l’air, utilisés pour l’amorçage ou la régulation des siphons, sont également étudiés ou cités :
Les éjecteurs , les tireurs d’air , les microcompresseurs hydrauliques .
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Chapitre 1 . Les vannages pneumatiques
( Principes )
La caractéristique hydraulique commune ...
des différents vannages pneumatiques retenus dans cet ouvrage est que le transfert gravitaire du débit à véhiculer du plan d’eau amont N1 au plan d’eau aval N4 (plus bas de H) de l’appareil s’effectue par passage sur un seuil déversant NS coiffé d’une hotte S étanche (c’est-à-dire plongeant sous l’eau en amont et en aval).
Cette disposition est représentative d’un écoulement en “siphon“ . (Fig. 1)
Le débit d’eau est interrompu (ou limité) en annulant (ou en réglant) la hauteur d’eau h sur le seuil NS, au moyen d’une poche d’air dans la hotte S, l’air étant ... :
. en pression (si NS est plus bas que N1) . ou en depression (si NS est plus haut que N1).
La caractéristique pneumatique ...
de ces vannages est la pression régnant dans la hotte . - Dans les vannages déprimés :
- bonde siphoïde déprimée - siphon-clapet
- les différents siphons partialisés
l’arase du seuil NS est calée à un niveau légèrement supérieur au niveau maximum du plan d’eau amont :
Le débit est interrompu lorsque la hotte est à l’atmosphère et l’écoulement nécessite sa mise en dépression pour provoquer une montée du plan d’eau dans sa branche amont (et bien sûr également dans la branche aval).
- Dans les vannages comprimés :
- bonde siphoïde comprimée et siphon comprimé limiteur de débit
le seuil déversant est plus bas que le plan d’eau amont et l’interruption du débit nécessite une mise en pression de la hotte.
“Vannages déprimés“ (dont les siphons partialisés représentent l’application essentielle) et
“vannages comprimés“ (d’utilisation plus restreinte) présentent chacun des avantages et des inconvénients, étudiés par la suite.
On notera toutefois ici :
- que les vannages déprimés sont plus sécuritaires, côté interruption du débit : l’état au repos étant le débit nul, une avarie conduit généralement à un arrêt de l’écoulement,
- qu’ils ont par contre l’inconvénient de nécessiter un système d’amorçage pour créer la dépression initiale et éventuellement le maintien de la dépression en service,
- enfin que la dépression interne peut conduire à des efforts mécaniques importants sur les parois, dont la résistance et l’étanchéité doivent être étudiées avec soin . Le caractère propre de chaque vannage pneumatique...
réside en son fonctionnement hydraulique, qui peut selon les cas :
- assurer uniquement l’autorisation ou l’interruption de l’écoulement, dans l’ignorance du débit :
bondes siphoïdes, siphon-clapet, siphon simple non auto-stable ,
- permettre l’interruption et la limitation du débit : siphon comprimé,
- assurer la maîtrise du débit pour obtenir le réglage d’un plan d’eau, en général le plan d’eau amont :
siphons partialisés auto-stables,
- assurer la régulation du débit transité en fonction d’une variable à régler extérieure quelconque,
. avec siphon en amorçage partiel
(fonctionnement en déversoir déprimé avec lame déversante interne dénoyée, écoulement en loi de déversoir) :
siphons régulateurs à flotteur interne, par exemple . avec siphon en amorçage total
(déversoir interne noyé, écoulement en loi d’orifice) : siphons partialisés à régulation hydropneumatique .
1. Vannages pneumatiques par tout ou rien.
Lorsque les niveaux liquides amont et aval varient peu (de quelques décimètres), on peut utiliser autant que possible un vannage statique simple, tel que la bonde siphoïde à interdiction par pression ou à fonctionnement sous dépression .
Ce type d’appareil s’adapte aisément à une commande automatique ou à une commande
“assistée“, par le jeu d’un circuit auxiliaire en pression ou en dépression selon le cas .
Le choix entre bonde “comprimée” et bonde “déprimée” résulte souvent de la disponibilité de l’un ou l’autre fluide moteur sur l’installation, mais il peut aussi résulter de la sécurité de marche à maintenir en cas de panne du fluide moteur .
Les bondes siphoïdes sont généralement calculées pour n’opposer qu’une perte de charge insignifiante à l’écoulement hydraulique; elles fonctionnent alors à section pleine.
Cependant, dans le cas de plusieurs bondes en parallèle, on peut souhaiter créer une perte de charge d’équilibrage, en vue par exemple d’une équi-répartition de débit .
Ceci peut être obtenu en limitant la section utile d’écoulement à l’intérieur de la bonde par l’introduction d’une pression partielle dans le cas d’une bonde comprimée, ou d’une dépression partielle dans le cas d’une bonde déprimée.
Dans ces applications, la bonde se comporte hydrauliquement comme un orifice noyé :
Son débit est conditionné par la charge disponible et par la section d’écoulement, éventuellement réduite par les moyens pneumatiques sus-indiqués. En particulier, le sens d’écoulement dans la bonde peut être inversé .
En remplissage partiel, un fonctionnement stable ne peut s’envisager qu’à des vitesses d’écoulement assez faibles pour qu’aucun entraînement d’air n’ait lieu, sinon la bonde se mettrait rapidement à débiter à pleine section.
Cette remarque ouvre d’ailleurs la voie à la conception d’une autre classe d’appareils, dans laquelle on renouvellerait constamment la pression ou la dépression de réglage, au fur et à mesure de l’entraînement intérieur de l’air par le courant d’eau :
Ce sont les siphons régulateurs, que nous aborderons plus loin .
Les bondes siphoïdes (en pression ou en dépression) constituent un moyen simple et couramment utilisable de vannage de petits et gros débits .
Bonde siphoïde à compression. (Fig.2)
Le déversoir noyé NS, calé plus bas que N1, est coiffé d’une hotte étanche S.
Hotte à l’atmosphère, le débit s’établit en fonction de la hauteur du niveau amont N1 au-dessus de NS.
Pour l’interrompre, on admet de l’air suffisamment comprimé sous la hotte; cet air fait baisser les plans d’eau intérieurs N2 et N3 jusqu’à un niveau inférieur à l’arase du déversoir NS, arrêtant ainsi le débit .
Ce système fait ainsi office de vanne ouverte ou fermée .
On peut l’utiliser, avec une faible perte de charge, pour l’alimentation ou la sortie de bassins à fort debit.
Noter que la pression admise dans la hotte provoque des efforts mécaniques et en particulier un effort de soulèvement qui peut être important .
Il faut par ailleurs éliminer tout risque d’auto-amorçage (création d’une dépression amenant le remplissage total de la bonde et de ce fait, une augmentation accidentelle considérable du débit transité).
Un temps de fermeture (mise sous pression) raisonnable impose d’introduire un débit d’air comprimé assez élevé .
Siphon comprimé limiteur de débit. (Fig.3)
Une disposition dérivée de la Bonde à compression est le Siphon comprimé limiteur de débit, qui présente à peu près les mêmes avantages et inconvénients.
Dans cette disposition, on assure une limitation de la hauteur de la lame déversante, donc du débit, grace au maintien d’une certaine pression d’air dans la hotte pendant l’écoulement .
Une “canne“ de limitation de débit est branchée au point haut de la hotte et débouche sur le plan d’eau Amont N1 du siphon, au niveau correspondant à la hauteur de lame h sur le déversoir comprimé NS, au débit maximal autorisé :
- Tant que le débit maximal autorisé n’est pas atteint, la hotte est mise à l’atmosphère par la canne de limitation de débit, dont le débouché est alors à l’air libre : La pression atmosphérique règne dans la hotte et l’eau passe normalement sur le déversoir .
- Lorsque le débit maximal autorisé est atteint, le plan d’eau Amont correspondant obture le débouché de la canne de limitation .
Si le plan d’eau N1 continue de monter, la pression d’air dans la hotte croît progressivement en fonction de cette montée, et s’établit à la valeur correspondant à la hauteur d’immersion du débouché de la canne, par lequel l’air introduit dans la hotte s’échappe en bullant .
Il s’ensuit que le niveau de l’eau N2 dans la branche Amont de la hotte se trouve ainsi calé à une altitude constante, celle du débouché de la canne, d’où une lame déversante constante et un débit limité constant .
Ce système peut également faire office de vanne si on installe un robinet d’isolement sur la canne de limitation de débit (ce qui ramène à la Bonde siphoïde comprimée) .
Le fonctionnement peut être sécuritaire, aux conditions de bien respecter certains impératifs d’installation et de ne pas sous estimer les risques d’emballement (en cas de manque d’air comprimé) ou de blocage (en cas de bouchage de la canne de limitation).
Par ailleurs, le système doit absolument éviter un entraînement d’air à l’aval, sous peine d’une mauvaise limitation du débit pouvant aller jusqu’à l‘amorçage total .
Le siphon comprimé limiteur de débit est une solution simple qui peut être utilisée pour autant qu’on puisse accepter une marge d’erreur appréciable et à la condition que le niveau liquide amont soit stable .
Mais il faut encore une fois bien noter les deux inconvénients de ces “vannages comprimés“, par rapport aux siphons en dépression, provenant du fait que, contrairement à ces derniers, leur seuil déversant NS est calé à une altitude inférieure au niveau liquide amont N1 :
- Ecoulement accidentel :
Un manque d’air surpressé signifie l’ouverture, à plus ou moins brêve échéance, du siphon comprimé comme de la bonde à compression, par suite de leur “dégonflage“ dû aux fuites ,
- Joint hydraulique indispensable à l’interruption de l’écoulement :
Il n’est pas possible de maintenir l’interruption du débit si le niveau liquide aval N4 baisse sensiblement, le joint hydraulique n’étant plus assuré; par exemple, dans le cas de l’alimentation d’un bassin, ces systèmes ne permettent pas d’en assurer la vidange .
Bonde siphoïde à dépression. (Fig.4)
Par rapport à la “bonde comprimée “, la “bonde siphoïde à depression” présente l’avantage d’être plus sécuritaire :
Toute chute de la dépression interne (mise à l’atmosphère accidentelle, manque de joint hydraulique) se traduit par un arrêt de l’écoulement (une vidange d’un bassin aval est donc possible).
D’autre part, les sections de passage peuvent être plus petites, car les entraînements d’air et un amorçage total sont, au contraire, fréquemment recherchés; le débit n’est alors limité que par la charge N1 - N4 disponible.
Le déversoir NS est calé à un niveau supérieur au niveau liquide amont N1 maximal .
Ce déversoir est recouvert d’une hotte étanche S (avec joints hydrauliques sur l’amont et sur l’aval) . Un système annexe assure la mise en dépression, qui provoque la montée du niveau intérieur N2 (et aussi de N3) au-dessus de NS et assure ainsi l’écoulement .
La fermeture (arrêt de l’écoulement) s’obtient par mise à l’atmosphère.
Pendant l’écoulement, si la vitesse du flot est suffisante pour que des bulles d’air soient refoulées à l’aval, la dépression peut devenir supérieure à celle créée artificiellement pour l’amorçage .
Cette possibilité doit être prise en compte dans : - le calcul de la résistance de la hotte,
- les conditions de fonctionnement du dépresseur,
- la détermination de la vanne de mise à l’atmosphère (par sécurité, cette vanne de désamorçage doit toujours être largement dimensionnée).
2. Siphon clapet. (Fig.5)
Cette disposition intéressante, mais rarement utilisée, constitue un premier pas vers les siphons régulateurs .
Comme les appareils précédents, le siphon-clapet reste encore ignorant du débit qui le traverse mais, grâce à un asservissement pneumatique qui condamne le passage en cas d’inversion des niveaux, il a la particularité de n’autoriser l’écoulement que dans un seul sens .
Ce type d’appareil peut être utilisé comme clapet de crue ou de marée sur un collecteur d’évacuation, pour éviter un retour vers l’amont dans le cas d’une montée du plan d’eau récepteur .
Il offre des avantages sur les dispositifs mécaniques équivalents, du fait qu’il n’absorbe que peu de charge et garantit une étanchéïté absolue sans aucun risque de coincement .
La dépression interne du siphon nécessaire à l’écoulement peut être créée et entretenue par un
“tireur d’air” fonctionnant sur une fraction du débit à traiter, tant que la charge hydraulique est positive .
Cette dépression est limitée par un régleur simple, comportant un robinet d’air à flotteur qui désamorce le siphon lorsque le plan d’eau Aval monte et atteint le niveau maximal fixé .
3. Les siphons déprimés partialisés.
(Fig.6) Principes résumésDeux niveaux liquides libres indépendants Amont N1 et N4 aval (plus bas) étant reliés par un siphon (dont le seuil NS est un peu plus haut que N1 ), il faut, pour obtenir un écoulement de N1 vers N4 , créer une dépression initiale dans le siphon pour l’ “amorcer“ .
L’amorçage totalest obtenu lorsque la dépression D maximale assurant le remplissage total de la hotte est atteinte , cette dépression pouvant être créée soit par un moyen extérieur (extracteur d’air) si le siphon ne “tire“ pas d’air, soit par le siphon lui-même si il est capable de “refouler“ son air .
Le siphon débite alors son maximum sous la charge totale disponible H = N1 - N4 .
Un siphon déprimé placé dans des conditions favorables peut être capable, à partir d’une certaine vitesse d’
écoulement, d’augmenter de lui-même sa dépression et de s’amorcer totalement jusqu’à donner son débit maximum (correspondant à la charge hydraulique H disponible) qui se produit quand il n’y a plus du tout d’air dans sa hotte .
Aux débits partiels, l’eau passe en déversant depuis la branche amont S1 remplie d’eau vers la branche aval S2 partiellement remplie ; une poche d’air occupe la partie haute de la hotte et une partie de la branche aval . Cet air enfermé est mis progressivement en émulsion au pied de la chute d’eau intérieure et, si la vitesse de l’ eau dans la branche aval dépasse une certaine valeur de l’ordre de 0,30 m/s , une partie de cette émulsion peut être entraînée plus à l’aval et sort donc à l’ atmosphère .
Le “débit d’air sortant“ est maximum pour un certain régime hydraulique, intermédiaire entre débit d’eau nul (il n’ y a pas d’entraînement) et débit d’eau maximum à plein amorçage (il ne peut pas y avoir entraînement puisqu’il n’ y a plus d’air dans la hotte) .
On admet généralement que le maximum d’entraînement d’air, trés tumultueux et irrégulier d’ailleurs, a lieu aux environs du tiers du débit d’eau maximum permis par la dénivelée entre les niveaux amont et aval supposés bien définis .
La “partialisation“, c’est-à-dire le maintien, à un instant donné , d’un régime d’écoulement défini inférieur au régime de plein amorçage , est obtenue en assurant dans la hotte la dépression D caractéristique du régime partiel à cet instant, par réglage d’un débit d’air “entrant“ équilibrant le débit d’air
“sortant“ refoulé par le siphon (ou éventuellement extrait artificiellement si les conditions hydrauliques d’amorçage naturel ne sont pas réalisées) .
- Si le siphon a été dimensionné pour ne pas refouler d’air à l’aval (Vitesse maximale dans la branche aval inférieure à 0,35 m/s env.), le débit d’air sortant , constitué seulement de l’air extrait par le système annexe d’ amorçage, est caractérisé et connu : l’air entrant peut être aisément réglé par un robinet ou une vanne de régulation .
- Si par contre les conditions d’amorçage naturel sont réunies, le débit d’air sortant est constitué principalement de celui , important, irrégulier et non maîtrisable, entraîné vers l’aval par un écoulement rapide dans la branche aval du siphon : le réglage de l’air entrant est alors plus délicat .
Ce réglage est assez aisé pour les régimes de forts débits d’eau (dans lesquels le débit d’air “sortant“
diminue si le débit d’eau augmente) ; il est par contre plus difficile pour les régimes à faibles débits d’eau (inférieurs au tiers du débit maximal) , volontiers instables , dans lesquels le débit d’air “sortant“ varie dans le même sens que le débit d’eau .
Il a été montré que dans ces conditions, la partialisation la plus stable à tous les régimes s’obtenait : - en utilisant une soupape sur l’air “entrant“, c’est-à-dire en régulant une dépression de la poche d’air, - en modifiant la force tendant à faire fermer cette soupape pour passer d’un régime d’eau à un autre . Suivant le profil hydraulique et les conditions d’installation, le régime hydraulique du siphon peut s’établir, soit en “déversoir déprimé“ (l’amorçage est limité partiel), soit en “amorçage total“ (voir Fig. 6).
- Si la charge hydraulique H est excédentaire, le niveau N3 dans la branche aval peut être maintenu suffisamment plus bas que N2 dans la branche amont : N3 n’a pas d’ influence sur N2 et le débit du siphon ne dépend (à condition de conserver une poche d’air suffisante dans la hotte) que de la hauteur de lame déversante h sur le seuil NS , suivant une relation de la forme :
Q = f ( h 3/2 ) ( loi de déversoir )
- Si la charge hydraulique H est limitante, l’écoulement du débit peut imposer l’amorçage total du siphon :
Il n’ y a presque plus (ou plus du tout) d’air dans la hotte et les deux niveaux N2 et N3 sont indistincts . Le débit du siphon dépend alors de la charge disponible H , suivant une relation de la forme :
Q = f ( H 1/2 ) ( loi d’ orifice )
3.1. Généralités.
La liaison entre un plan d’eau Amont (ne variant que de quelques mètres) et un plan d’eau Aval plus bas, pour contrôler un débit d’écoulement gravitaire en vue, par exemple, de régler l’altitude d’un de ces plans d’eau, peut être assurée au choix en général par ...
une vanne-rideau automatisée ou par ... un siphon régulateur partialisé . Les avantages du siphon sont :
- d’être une construction statique ne comportant aucun matériel (mécanique ou mobile) immergé : Usure ou corrosion ne sont pas à redouter .
- d’être capable de contrôler des débits d’eau importants, par désamorçage partiel obtenu à l’aide d’un relativement faible débit d’air “entrant“, prélevé à l’atmosphère :
L’orifice de réglage de ce débit d’air, seul organe mobile, est donc de relativement petite section .
- de présenter une large section de passage, conservée à faible débit : Pour des eaux chargées, une obstruction par des corps étrangers en suspension n’est pas à craindre .
- de pouvoir refuser naturellement les corps flottants :
Possibilité intéressante en cas de déversement au milieu naturel . Les difficultés de réalisation des siphons ne doivent pas pour autant être sous-estimées : -La théorie a fait beaucoup de progrès, mais reste incomplète .
Ainsi, n’y a-t-il pas de formule mathématique concernant l’entraînement de l’air par l’eau ; il n’y a donc pas de formule de similitude pour passer d’une installation connue à une autre à venir .
-La hotte du siphon doit être parfaitement étanche à l’air .
Ceci s’obtient relativement aisément mais il ne faut pas oublier les joints hydrauliques indispensables, aussi bien à l’aval où des abaissements liquides du type ressaut peuvent avoir lieu, qu’à l’amont où des vortex sont souvent pernicieux .
Le siphon dans sa présentation la plus simple (c’est-à-dire sans aucun artifice de partialisation), couramment utilisée depuis longtemps, établit la liaison entre les deux plans d’eau par un fonctionnement par “tout ou rien“ :
Il suffit d’amorcer partiellement l’appareil pour qu’il s’emballe au débit maximum et provoque, par exemple, une violente chasse d’eau ( Siphons de chasse ) .
Plus explicitement :
- Le siphon commence à débiter lorsque le plan d’eau amont N1 s’élève un peu au-dessus du seuil NS de déversement interne .
- Si on atteint une vitesse d’écoulement suffisante dans la branche aval, l’air présent à l’intérieur est alors entraîné par l’eau sortant de cette branche :
Le siphon s’amorce et se remplit entièrement d’eau . Le débit est alors maximum .
- Ce débit maximum étant alors, en principe, supérieur au débit excédentaire à évacuer, le niveau amont baisse et le siphon se désamorce au moment où l’air atmosphérique est aspiré du fait du dénoyage de la branche amont .
- Le débit s’annule et le plan d’eau N1 commence à remonter . On notera :
- qu’à plein débit le siphon se comporte comme un orifice en charge,
- que l’altitude du seuil interne NS n’intervient pas dans la determination de ce débit qui sera par ailleurs, à section d’écoulement égale, approximativement le même que celui d’une vanne .
Pour obtenir un fonctionnement régulier continu du siphon ,
il sera nécessaire de l’équiper d’une façon particulière pour lui permettre de limiter son débit à des valeurs partielles inférieures à celui de plein amorçage, valeurs correspondant au débit à transiter excédentaire du moment .
En laissant entrer dans la hotte du siphon un débit d’air atmosphérique judicieusement dosé, on peut limiter la dépression interne et, par exemple, régler la lame déversante sur le seuil interne .
Dans ce cas le siphon, “partialisé”, se comporte comme un seuil réglable .
Si le réglage peut aller jusqu’au débit maximum, l’appareil cumule alors les avantages des seuils réglables et des ouvrages en charge .
Il est relativement aisé d’obtenir un fonctionnement partialisé à peu près régulier pour les débits supérieurs au tiers du débit d’eau maximum de plein amorçage du siphon considéré, mais par contre il est plus difficile de descendre au-dessous du tiers sans risque de désamorçage complet, du fait de l’instabilité du régime hydraulique dans la plage des faibles débits .
Pour contourner cette difficulté, on a parfois placé plusieurs siphons en parallèle et étagés, ce qui conduit à une multiplication des parois de séparation, susceptibles d’arrêter les corps étrangers, et surtout à une augmentation considérable de la marge de réglage de niveau, qui peut devenir inadmissible dans bon nombre de cas .
3.2. Loi Débit d’air sortant / Débit d’air entrant.
La partialisation résulte d’un équilibre obtenu entre
l’amorçage total et le désamorçage complet .
Sa difficulté réside essentiellement dans la stabilité et l’équilibre, à chaque instant et pour chaque régime de fonctionnement, entre :
- le débit d’air sortant , qui est la somme:
. du débit d’air (irrégulier et mal défini) entrainé par l’écoulement dans le siphon et s’échappant par la branche Aval sous forme de bulles dans l’eau, et ...
. du débit d’air (déterminé et régulier) extrait de la hotte par le système d’amorçage,
- le débit d’air entrant , introduit dans la hotte par le dispositif régleur . - Débit d’air sortant
Le débit d’air sortant peut donc être bien défini si le siphon ne “tire“ pas d’air de lui-même, puisqu’il n’est alors constitué que par l’air extrait par l’amorceur; il peut dans ce cas être soit constant (dépresseur volumétrique), soit progressivement décroîssant avec la montée en dépression (dépresseur centrifuge genre ventilateur par exemple) .
Il n’en est pas de même si le siphon est réalisé (par exemple pour des raisons économiques, coût d’installation, coût d’exploitation, ou de compacité) dans des conditions telles qu’il refoule de lui- même de l’air à l’aval par amorçage naturel .
La loi du débit d’air sortant peut être représentée (Fig.7) par une courbe en cloche R (pour laquelle l’abcisse peut être graduée en débit d’eau, en hauteur de lame déversante ou en dépression intérieure), dont on peut avoir l’intuition puisque :
- à débit d’eau nul ou faible, il ne peut y avoir d’air entrainé, - à débit maximum, il ne peut non plus y avoir d’air entrainé (il n y a plus d’air sous la hotte) .
Le débit d’air sortant croît donc au fur et à mesure que le siphon s’amorce, jusqu’à un maximum (que l’on estime atteint lorsque le débit d’eau du siphon correspond approximativement au tiers du débit maximum permis par la dénivelée entre les niveaux N1 amont et N4 aval, supposés bien définis à ce régime), puis décroît pour s’annuler à plein amorçage .
La valeur du débit d’air entraîné et refoulé tumultueusement à l’aval dépend de nombreux facteurs (forme et dimensions du siphon, conditions hydrauliques de charge, de vitesse d’écoulement, de chute aval, de dépression, etc ... ) .
Sa connaissance précise ne peut être obtenue qu’expérimentalement . Le taux d’aération q = Qa / Qe (rapport du débit d’air sortant, mesuré à la pression
atmosphérique, au débit d’eau transité)
au tiers du débit de plein amorçage (donc maximal) peut varier, dans des conditions habituelles d’utilisation des siphons, de quelques % à 60 % environ.
Le débit d’air sortant correspond à une puissance pneumatique représentant une fraction de la puissance hydraulique due à l’écoulement de l’eau, soit :
Wp = h . Wh avec Wp = puissance pneumatique Wh = puissance hydraulique h = rendement global Wp = Pa . Qa . Log t avec Pa = pression atmosphérique
Qa = débit d’ air
t = taux de compression = ( Pa + P ) Pa-1
P correspondant dans notre cas à la profondeur de sortie des bulles d’air sous le niveau aval N4 Wh = ve . Qe . H avec ve = poids volumique de l’eau
Qe = débit d’ eau H = charge hydraulique En considérant : Pa = 10 mCE et t = 1,1 environ
On obtient en simplifiant :
- Débit d’air entrant
Considérons un siphon déprimé (Fig.1) constitué par un simple tube coudé (le coude, placé en point haut au-dessus des plans d’eau amont et aval, faisant office de hotte), amorcé par un moyen quelconque et passant son débit maximum sous la charge H.
Si cette charge est sufisante, la vitesse d’écoulement devient capable de refouler des bulles d’air à l’aval.
Pour tenter de réduire le débit du siphon, on peut essayer d’adjoindre au tube coudé, un appareil branché au sommet et supposé être un simple robinet d’entrée d’air présentant, pour une ouverture donnée, une courbe caractéristique V (suivant Fig.7) de débit d’air croissant avec la dépression du siphon .
Le débit d’eau pourra être maintenu constant et limité si, toutes choses égales par ailleurs, on laisse pénétrer dans la hotte un “débit d’air entrant” égal en
permanence au “débit d’air sortant” vers l’aval à ce régime.
Stabilité du fonctionnement
Les conditions d’installation envisagées ci-dessus n’autorisent un fonctionnement stable que pour les régimes de fort débit d’eau.
En effet, pour ce siphon comme pour tout siphon déprimé tirant naturellement son air suivant la courbe en cloche R définie plus haut (Fig.7), le point de fonctionnement correspond à une intersection de cette courbe caractéristique du siphon, et de la courbe caractéristique V du robinet d’entrée d’air, d’allure plus ou moins parabolique : La stabilité ne peut être obtenue que si le point de fonctionnement du régime considéré se trouve sur la partie descendante de la courbe en cloche, les deux courbes se coupant alors dans le sens favorable.
L’obtention d’une stabilité à bas régimes (partie montante de la courbe R) nécessiterait un régleur d’entrée d’air plus performant.
Par contre, pour un siphon ne tirant pas d’air et équipé, par exemple, d’un extracteur centrifuge présentant une courbe de débit d’air décroissant avec la dépression du siphon, la stabilité du réglage est aisément obtenue puisque les courbes V du robinet d’air entrant et E d’air sortant prélevé dans la hotte par l’extracteur varient en sens inverse sur toute la gamme des débits d’eau et se coupent en un seul point .
Plus explicitement :
Le débit d’air entrant est fonction de la dépression interne D et dépend, de plus, de la section d’ouverture du robinet.
Pour une ouverture donnée du robinet d’entrée d’air, sa courbe caractéristique V recoupe la courbe en cloche R ci-dessus en 3 points :
- l’origine 0, qui est sans intérêt,
- un premier point A situé sur la partie ascendante de la courbe en cloche et qui correspond à un fonctionnement instable (un accroîssement de la dépression D entraînant une augmentation du débit d’air sortant supérieure à celle du débit d’air entrant),
- un second point B situé sur la partie descendante de la courbe en cloche et vers lequel tend tout régime intermédiaire .
Le point B est stable naturellement : Si le débit d’eau augmente, le débit d’air sortant diminue, donc la dépression diminue et le débit d’eau rediminue alors .
Le point A est instable naturellement : Il tendra à évoluer soit vers le point B avec donc surdébit, soit vers l’origine 0 avec alors arrêt du siphon .
- En effet, envisageons un fonctionnement transitoire avec un débit d’eau Qe légèrement supérieur à l’équilibre A et correspondant à la ligne t de la figure 7 .
On trouve sur cette verticale :
- l’intersection avec la courbe V qui donne le débit d’air entrant, - au-dessus, celle avec la courbe R qui donne le débit d’air sortant .
Le débit d’air entrant étant inférieur au débit d’air sortant, écarte de l’équilibre A le régime transitoire considéré, et le conduit vers le point B.
Si on avait choisi un régime transitoire situé légèrement à gauche de A, le phénomène inverse se serait produit, avec un débit d’air entrant supérieur au débit d’air sortant : Le régime transitoire se déplace dans l’autre sens, vers le fonctionnement 0 qui correspond à l’arrêt total (désamorçage).
Il existe bien entendu une famille de courbes correspondant aux diverses ouvertures du robinet, auxquelles correspond toute la branche descendante de la courbe en cloche R, pour laquelle le débit d’air varie en sens inverse du débit d’eau .
Faire varier l’ouverture de l’entrée d’air revient donc à obtenir tous les équilibres possibles pour les débits d’eau correspondant à cette branche seulement , ...
... soit approximativement entre 30 % et 100 % du débit maximum à plein amorçage . On admet généralement que la zone d’instabilité (branche ascendante) s’étend, en gros, de ...
... 0 à 30 % du débit d’eau maximum (correspondant au plein amorçage du siphon ).
3.3. Siphons partialisés “non autostables“. (Fig.8 et 9)
Les siphons déprimés non autostables ont souvent été employés (siphons régulateurs de barrages, irrigation, etc ...) pour régler leur niveau amont.
Leur utilisation suppose de pouvoir accepter des variations de quelques dizaines de centimètres du niveau liquide réglé et prendre le risque éventuel d’un fonctionnement par pulsations .
Le siphon écran construit en son temps par Neyrpic pour équiper les canaux d’irrigation est une intéressante application de siphon partialisé simple, stable seulement à partir d’un certain régime . Quand on souhaite, par exemple, régler un plan d’eau amont ...
(il s’agit de faire passer dans le siphon un débit d’eau fortement croîssant à mesure que le plan d’eau N1 monte légèrement ),
... la première idée est de laisser entrer l’air de partialisation par la lèvre amont du siphon, judicieusement disposée (Fig.8) :
Le siphon, qui tend à s’amorcer à plein, provoque l’abaissement du plan d’eau amont qui, à un moment donné, affleure la lèvre amont si bien que l’orifice de partialisation désiré apparaît entre la surface de l’eau et le dessous de cette lèvre .
Un moyen donnant les mêmes résultats consiste à brancher sur la hotte du siphon une simple tubulure recourbée T (Fig.9) destinée à y introduire de l’air .
L’extrémité libre, coupée en sifflet, vient affleurer le niveau amont quand il atteint l’altitude désirée, le mouvement de ce plan d’eau obturant plus ou moins et automatiquement l’entrée d’air .
Ces dispositions simples peuvent éventuellement constituer une solution passable pour assurer l’obtention d’un désamorçage partiel sans arrêt complet, pour autant que le débit à transiter ne risque pas de descendre en-dessous du tiers du débit de plein amorçage du siphon .
- Dans la plage de fonctionnement stable (débits supérieurs à 30 % du débit maximum), le siphon partialisé classique représenté par exemple Fig.9 peut fonctionner aux débits partiels par introduction d’air à l’embouchure du tube de partialisation T :
L’entrée d’air se trouve progressivement obturée par la montée du plan d’eau, le
sens de l’action régulatrice est bon pour tous les régimes d’écoulement stables (dans lesquels le débit d’air sortant diminue si le débit d’eau transité augmente) .
- Par contre, si à un moment donné le débit alimentant le plan d’eau N1 diminue en-dessous du régime correspondant au sommet de la courbe en cloche (Fig.7), la baisse de N1 va toujours entraîner une augmentation du débit d’air entrant, alors que l’équilibre du siphon, pour tout régime inférieur au sommet de la courbe, nécessiterait une réduction du débit d’air entrant (allant jusqu’à son annulation à débit d’eau nul, c’est-à-dire à niveau N1 minimum) :
L’action régulatrice agit donc à contrario, l’équilibre est rompu et le siphon va être rapidement désamorcé .
En conséquence, pour tous les débits à transiter se trouvant dans cette zone d’
instabilité (allant de 0 au tiers environ du débit de plein amorçage), le fonctionnement du siphon se fera par une suite de pulsations Désamorçage / Amorçage .
Le siphon est dimensionné de façon à pouvoir transiter le débit maximum d’alimentation, sous la charge disponible N1 - N4 .
Le niveau amont N1 maximal dépend de plusieurs facteurs et notamment des conditions d’amorçage : - Si l’on dispose d’un dépresseur d’amorçage séparé, le marnage de N1 entre N1 mini
(siphon à débit nul) et N1 maxi (amorçage total) peut être limité à 10 cm env., la crête NS du déversoir pouvant alors être placée au-dessus de N1 maxi .
- Si par contre on désire l’auto-amorçage du siphon , la hotte étant à l’atmosphère, il faut accepter une montée du niveau amont N1 pour obtenir un déversement suffisant sur le déversoir interne NS .
En tenant compte d’un agencement correct de la branche aval (équipée d’une “lèvre d’amorçage“. Voir Fig.28), la hauteur de lame h déversante à obtenir pour assurer l’auto-amorçage (c’est-à-dire un début d’entraînement d’air) est de l’ordre, suivant la taille du siphon, de 5,0 à 15,0 cm .
Les niveaux N1 et N2 étant au départ égaux (dépression inexistante), le niveau amont N1 doit donc pouvoir monter de ces valeurs au-dessus de NS .
Comme par ailleurs, le niveau amont N1 minimal (siphon au repos) doit se trouver par sécurité à quelques centimètres en-dessous de NS pour assurer le débit nul, il s’ensuit que le marnage théorique N1 maxi - N1 mini doit atteindre de 10 à 20 cm .
En pratique, dans le cas d’un auto-amorçage, pour tenir compte des retards à l’
amorçage et au désamorçage, il est préférable d’admettre un marnage possible de N1 de 30 à 40 cm .
Bien entendu, si l’on envisage un auto-amorçage, la vitesse et la hauteur de chute dans la branche aval doivent être suffisantes pour provoquer l’entraînement de l’air : on peut en déduire que plus on désirera réduire la hauteur de lame (donc le débit) d’amorçage, plus la perte de charge du siphon à débit maximal sera forte .
3.4. Siphons partialisés “autostables“.
Un siphon est dit “autostable” lorsque la stabilité du fonctionnement est poursuivie dans la zône des faibles débits d’écoulement entre 0 et 30 % du maximum, grâce à une maîtrise de l’entrée d’air par des moyens de régulation plus élaborés, adaptés au problème à résoudre .
En reprenant par exemple le cas du réglage automatique d’un plan d’eau Amont , il s’agit de faire passer dans le siphon un débit d’eau fortement croîssant à mesure que le plan d’eau Amont monte légèrement :
- Il est assez aisé comme on l’a vu, d’obtenir ce résultat pour la partie “stable” de la courbe en cloche Fig.7, grâce à un joint hydraulique constitué par le propre plan d’eau à régler :
Ce joint se trouve en effet progressivement obturé par la montée du plan d’eau, le sens de l’action régulatrice est bon .
- Au contraire, dans la partie montante (instable) de la courbe en cloche, il faut : augmenter le débit d’air en même temps que le débit d’eau ,
... ce qui exige du niveau formant joint qu’il
s’abaisse quand le débit augmente (décrément négatif) . Siphon “bénitier“.
Une première solution pour augmenter la plage de réglage stable - c’est-à-dire pour réduire ce seuil de 30 % du débit maximal rappelé ci-dessus - est celle du siphon bénitier (voir Fig.10), réservé au réglage du plan d’eau amont, dans lequel la tubulure T (Fig.9) est supprimée et remplacée par une lumière O percée directement dans la paroi amont du siphon .
Dans cette disposition, on crée artificiellement un niveau auxiliaire variant dans le bon sens , en protégeant l’orifice O d’entrée d’air de partialisation au moyen d’un boîtier placé en amont et formant coupelle C, ouvert à la partie supérieure .
Ce boîtier se trouve alimenté en eau, au début du fonctionnement du siphon, non par le niveau Amont, qui n’atteint pas son arase, mais par l’intérieur du siphon .
Le niveau liquide N qui s’établit dans le boîtier est donc sollicité vers l’intérieur du siphon, d’autant plus violemment que le débit est important ; il obéit à la loi représentée sur la figure 11 et il tend bien à descendre quand le débit s’accroît (Alors que le niveau réglé N1, présent à l’extérieur et en amont de la coupelle C, peut tendre à monter) .
Cette coupelle fait donc apparaître une différence entre le niveau amont réglé N1 et le niveau N (intérieur au boitier) obturant l’orifice de partialisation, différence égale à :
N1 - N = ( V2 / 2g ) + perte de charge à l’entrée du siphon
où V est la vitesse de l’eau dans la branche ascendante du siphon, à proximité de l’orifice O ; vitesse que l’on accroît éventuellement à l’aide d’un rétrécissement de la branche amont dans la zone avoisinant le niveau N . La courbe de la relation entre N1 et le débit d’eau Q, reportée sur la Fig.11, a une partie descendante qui correspond encore à des régimes instables, mais dans une plage beaucoup plus réduite que précédemment, et d‘autant plus réduite qu’on aura exagéré le rétrécissement pour augmenter la vitesse V.
On peut obtenir ainsi un réglage Amont dans une gamme de débits allant de 10 à 100 % du débit maximal .
Mais on peut remarquer que cette courbe N1 de la Fig.11 est loin d’être une horizontale et que le niveau amont réglé serait loin d’être quasi-constant si l’effet du “bénitier“ était conservé pour les gros débits :
Aussi, pour obtenir cette quasi-constance, il est nécessaire de supprimer “l’effet bénitier“ dés l’instant où l’on a ”passé le cap“ de la zone des débits d’eau difficiles à régler, c’est-à-dire de limiter la hauteur du boitier formant coupelle, pour que l’eau amont déverse par dessus le bord supérieur de celui-ci, et le court-circuite, dés que le débit Q atteint par exemple environ 30 % du maximum .
Il peut même être indiqué de recouvrir le boitier d’une visière (ne serait-ce que pour obtenir un fonctionnement silencieux), représentée Fig.10 ; cette visière affleurera le niveau réglé pour les gros débits, dans une zone où les vitesses ne seront pas considérables et où, par conséquent, l’effet de V2 / 2g ne sera pas sensible .
Ceci étant réalisé, une nouvelle courbe N1’ apparaît sur la Fig.11; elle pourra être considérée comme étant suffisamment horizontale pour un certain nombre d’applications pratiques .
Mais revenons à un détail de la courbe N1 de la Fig.11 : Sa tangente à l’origine est malheureusement négative :
Elle est négative parce que :
N1 - N = k. Q2 (Q étant le débit d’eau du moment) dont la dérivée est 2.k.Q , égale à 0 pour Q = 0
La tangente au départ de la courbe N1 de la Fig.11 correspond donc exactement à celle de la courbe N de la même figure qui était négative .
Il y a là un empêchement majeur d’atteindre la stabilité de fonctionnement pour les trés petits débits .
