Définition de prises d eau ichtyocompatibles

Transcription

1 Pertes de charge au passage des plans de grille inclinés ou orientés et champs de vitesse à leur approche S. Raynal 1, L. Chatellier 1, L. David 1, D. Courret 2, M. Larinier 2 1 Institut PPrime Hydée UPR 3346 CNRS Université de Poitiers ENSMA SP2MI Téléport 2 Boulevard Marie et Pierre Curie BP F86962 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France 2 Onema Pôle écohydraulique, IMFT Allée du Professeur Camille Soula Toulouse, France 1

2 Objectifs de l étude 1. Caractériser les pertes de charge au passage des plans de grille ichtyocompatibles Valider ou adapter les formules existantes, voire en proposer de nouvelles. 2. Caractériser les vitesses d écoulement à l approche des plans de grille Vérifier que les critères d implantation se traduisent bien par les conditions hydrauliques recherchées pour le guidage des poissons 3. Préciser les critères de positionnement et d alimentation en débit des exutoires Débit garantissant l efficacité du dispositif et limitant les pertes d exploitation

3 Dispositif expérimental Canal hydraulique : Longueur 7 m Section 1 m x 1 m Débit 130 L/s Vitesse max : m/s Modèle échelle 1/2 Plan de grille orienté vu depuis l aval Plan de grille incliné vu de coté

4 Métrologie Caractérisation des pertes de charge Mesure du débit Q et des niveaux d eau amont et aval H 1 et H 2 Détermination : Des vitesses débitantes amont et aval : V 1 et V 2 De la perte de charge du canal ΔH 0 De la perte de charge due à la grille ΔH Puis du coefficient de perte de charge ξ

5 Métrologie Caractérisation des vitesses d écoulement Profils ADV 3D (Acoustic Doppler Velocimetry) Plans PIV 2D (Particle Image Velocimetry) Sonde ADV et son système de déplacement 3 axes Principe de la PIV

6 Configurations - Paramètres 7 angles d inclinaison : β de 90 à15 4 angles d orientation : α de 90 à30 1 largeur de barreau : b = 5 / 10 mm 1 profondeur de barreau : p = 40 / 80 mm 4 entrefers : e de 5 à 15 / 10 à 30 mm Obstruction O de 35% à 60% 2 formes de barreau : - rectangulaire (PR) - hydrodynamique (PH) Dimensions Modèle / Réelle 88 Plans de grille différents PH PR

7 Configurations - Paramètres + Essais avec 6 types de colmatage Reproduction à l aide de plaques percées installées dans différentes configurations : Réparti sur toute la grille. En sommet de grille. En pied de grille. Colmatage de 10% à 65%

8 PDC Grille inclinée Résultats expérimentaux Augmentation de ξ avec l obstruction O Diminution globale de ξ avec l inclinaison β Diminution moins marquée, voire augmentation de ξ pour les fortes inclinaisons Effet du nombre croissant d entretoises immergées Pertes de charge réduites avec PH de -40% à -10% (réduction moins marquée avec l inclinaison)

9 PDC Grille inclinée Formule proposée Formule de Meusburger (2002) inadaptée Proposition d une nouvelle expression dissociant : L obstruction transversale O b (barreaux + supports verticaux) L obstruction horizontale O ent (entretoises + supports transversaux) Terme lié aux barreaux Coefficient A lié à la forme des barreaux : A PR = 3,85 et A PH = 2,10 Augmentation avec l obstruction O Diminution de l effet des barreaux en sin²(β)

10 PDC Grille inclinée Formule proposée Formule de Meusburger (2002) inadaptée Proposition d une nouvelle expression dissociant : L obstruction transversale O b (barreaux + supports verticaux) L obstruction horizontale O ent (entretoises + supports transversaux) Terme lié aux entretoises Coefficient C lié à la forme des éléments transversaux (C = 1,79 pour des cylindres) Augmentation du terme avec O ent et donc avec le nombre d entretoises immergées

11 PDC Grille orientée Résultats expérimentaux Augmentation de ξ avec l obstruction O Augmentation de ξ avec l orientation α, d autant moins marquée que l espacement entre barreaux est réduit Pertes de charge réduites avec PH de -40% à - 15% (réduction moins marquée avec l orientation)

12 PDC Grille orientée Formule proposée Formule de Meusburger (2002) pas tout à fait adaptée Proposition d une nouvelle expression Terme pour une grille verticale Coefficient A lié à la forme des barreaux : A PR = 2,89 et A PH = 1,70 Augmentation avec l obstruction O

13 PDC Grille orientée Formule proposée Formule de Meusburger (2002) pas tout à fait adaptée Proposition d une nouvelle expression Facteur d augmentation lié à l orientation Coefficient C lié à la forme des barreaux : C PR = 1,69 et C PH = 2,78 Augmentation avec l orientation α Effet moindre pour les fortes obstructions O

14 PDC Colmatage Résultats expérimentaux Augmentation de ξ avec le colmatage Variabilité des résultats selon : La configuration initiale du plan de grille La «forme» du colmatage La position du colmatage (réparti, sommet ou pied de grille) Influence difficile à prendre en compte dans les lois Facteur d'augmentation des pertes de charge PR α = 45 PR β = 25 PR β = 45 PR α = β= 90 PH β = 25 PH β = 45 PH α = β= 90 Influence du colmatage En première approche, possibilité d intégrer le colmatage dans l obstruction globale et d appliquer les formules proposées Estimation à 25% près 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Taux de colmatage

15 Champs de vitesses à l approche des plans de grilles inclinées Accélération modérée de la vitesse le long de la grille Peu d effet de la forme des barreaux ou de l espacement libre entre les barreaux V n augmentant quelque peu le long de la grille, supérieur d environ 20-30% aux valeurs théoriques au sommet V t de l ordre de 1.2 fois la valeur théorique tout le long de la grille PR β = 25

16 Champs de vitesses à l approche des plans de grilles inclinées Rapports V t /V n diminuant le long de la grille et proches des valeurs théoriques au sommet. Guidage des poissons : critère β 26 pour obtenir V t /V n 2 confirmé Vis-à-vis des risques de placage, vitesses d approche acceptables augmentant avec l inclinaison (0.83 m/s à β = 25 ) z (mm) Angle d'inclinaison β Rapport V t / V n

17 Champs de vitesses à l approche des plans de grilles orientés Accélération prononcée de la vitesse le long de la grille Augmentation continue de V n le long du plan de grille d autant plus importante que l orientation α est prononcée. Evolution de V t variant selon l orientation α : croissante à 30, croissante puis stable à 45, stable puis décroissant à 60 A remplacer par le bon graphique

18 Champs de vitesses à l approche des plans de grilles orientés Rapports V t /V n diminuant le long de la grille et proches des valeurs théoriques au sommet Guidage des poissons : critère α 45 pour obtenir V t /V n 1 confirmé V n proches de V 1 dans la partie aval Vis-à-vis des risques de placage : vitesses d approche acceptables de l ordre de m/s en toute rigueur. Possibilité d adopter des valeurs un peu plus fortes en acceptant un dépassement sur une courte distance en fin de grille y (mm) PR e = 10/20 mm Angle d'orientation α y (mm) PR e = 10/20 mm Angle d'orientation α Rapport V t / V n Rapport V n / V 1

19 Conclusions et recommandations Proposition de formules prédictives de pertes de charge applicables aux configurations ichtyocompatibles avec la possibilité d appréhender l effet du colmatage Confirmation des critères d inclinaison β et d orientation α des plans de grille pour le guidage des poissons Identification des valeurs maximales de vitesses d approche pour respecter le critère V n 0.5 m/s vis-à-vis des risque de placage. Conception des prises d eau ichtyocompatibles fiabilisée Grilles inclinées à privilégier car moins pénalisantes en terme de pertes de charge et de vitesse d approche Grilles orientées à utiliser sur les prises d eau particulièrement profondes ou celles sujettes à de fortes variations de niveau d eau

20 Les perspectives de l action L action se poursuit avec : L étude des critères de positionnement et d alimentation des exutoires en fin de grille orientée et inclinée L étude des perte de charge pour un grille orienté avec différents rapports de forme de barreau (plus larges et/ou plus profonds) de façon à étendre le domaine d application des formules proposées. La caractérisation des champs de vitesses à l aval des plans de grille orientés pour en apprécier l acceptabilité vis-à-vis des conditions d entrée des turbines. L étude d une nouvelle grille orientée avec les barreaux dans le sens de l écoulement, visant à limiter les perte de charge et le phénomène d accélération des vitesses. Des mesures in situ de perte de charge et de champs de vitesse pour comparer aux essais sur modèle réduit.