Evaluation des fluctuations de vitesse, mesurées par micromoulinet

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1 Evaluation des fluctuations de vitesse, mesurées par micromoulinet et enregistrées sur bande d oscilloscope O. Györke Budapest (Hongrie) Résumé. La communication présente le principe de construction et l utilisation des abaques qui rendent possible l évaluation graphique des bandes d enregistrement obtenues au cours de l ktude des fluctuations de vitesse mesurées 2 l aide d un micromoulinet hydrométrique donnant des impulsions électriques. L utilisation de tels abaques rend possible la valorisation ultérieure d enregistrements anciens de mesures effectuées sur le terrain ou autour des constructions hydrotechniques, en vue d obtenir des renseignements précieux sur l effet de la fluctuation macroturbulente de la vitesse. On peut ainsi obtenir de nouvelles données, même non prévues encore 2 l époque des mesures. EVALUATION OF OSCILLOGRAMS OF WATER VELOCITY FLUCTUATIONS MEASURED BY AN IMPULSE-GENERATING MICRO-CURRENT METER Abstract. The principles of construction and utilization of tables which make it possible to evaluate graphically recordings obtained during studies of velocity fluctuations measured by a micro-current meter generating electrical impulses are described. The use of these-tables enables the later evaluation of older registered data measured in hydrotechnical constructions with a view to obtaining precise indications of the macroturbulent fluctuations of velocities. Further new data can be obtained, even if their evaluation was not foreseen at the time of measurement. EVALUACI~N DE LAS FLUCTUACIONES DE VELOCIDAD MEDIDAS POR MICRO- MOLINETES Y OBTENIDAS POR OSCILOGRAMA Resumen. En la medición de fluctuaciones de velocidad se utilizan medidores de tipo tornillo, de dimensiones e inercia reducidas. El registro se obtiene con ayuda de un osciloscopio, prácticamente sin inercia, equipado con un foto-registrador. En la cinta de papel impresionable a la luz las marcas proporcionales a las revoluciones por segundo y las de tiempo se pueden determinar por medio de un nomograma realizado con estos fines. Al deslizar el nomograma en la cinta de registro se pueden obtener directamente en un gráfico los valores instantáneos de la velocidad en función del tiempo. 814

2 Evaluation des fluctuations de vitesse, mesurées par micromoulinet et enregistrées sur bande d 'osciiloscope Les laboratoires d'hydraulique consacrent beaucoup d'efforts à l'étude de la turbulence. Ces études ont pris de l'essor depuis une dizaine d'années. Aujourd'hui, on dispose de connaissances approfondies sur la structure de la turbulence et son développement grâce aux études de caractère scientifique effectuées en laboratoire. Dans l'état actuel de nos connaissances, l'effet de la fluctuation turbulente ne peut être déterminé que par des mesures de vitesse ou de pression. L'utilisation du fil chaud et du film chaud a fait progresser les recherches fondamentales effectuées dans les conditions du laboratoire (eau pure, profondeurs réduites, visibilité parfaite, instrumentation adéquate, calculateurs électroniques, etc.). En ce qui concerne l'étude sur modèles réduits ou sur le terrain des problèmes pratiques liés la turbulence, la situation dans le domaine des mesures est beaucoup moins favorable. On utilise des micromoulinets de fabrications diverses pour la mesure des vitesses et des fluctuations turbulentes. Parmi ces micromoulinets, quelques-uns sont pourvus d'un système électronique rendant possible non seulement la mesure et l'enregistrement des faibles vitesses et des fluctuations de vitesse, mais aussi le dépouuement rapide des données enregistrées. Ils sont assez fragiles, et ne sont utilisés que dans les conditions favorables que présente une étude en laboratoire. Les micromoulinets OTT-Minor et Neyrpic sont suffbamment robustes et en même temps assez précis pour qu'on puisse les utiliser dans les conditions plus difficiles des études de laboratoire oh l'on ne peut éiminer les difficultés que présentent les impuretés et les matériaux solides dans l'eau, les grandes dimensions des ouvrages ou du modèle de ceux-ci, les vitesses élevées, le manque de visibilité, etc. Ces moulinets hydrométriques donnent des impulsions électriques qui peuvent être enregistrées sur bande de papier ; si l'on veut éviter le dépouillement des enregistrements, on utilise des compteurs électromécaniques pour totaliser les impulsions dans un intervalle de temps donné. Si l'on veut connaître et étudier les fluctuations de la vitesse, l'enregistrement sur bande de papier constitue la seule solution. Dans ce qui suit nous présentons une méthode qui rend possible le dépouillement de tels enregistrements. Au cours de l'étude sur modèle réduit d'un dissipateur d'énergie, les vitesses instantanées ont été mesurées dans différents points de plusieurs profils transversaux à l'aide d'un moulinet de petites dimensions du type OTT-Minor (hélice utilisée : no 2-3). Ce moulinet fournit une impulsion à chaque tour de l'hélice. L'enregistrement des impulsions est fait sur bande de papier photographique à l'aide d'un oscilloscope muni d'une photo-caméra. La figure 1 présente le schéma de principe de la chaîne d'enregistrement, tandis que la figure 2 donne la bande de papier sortie de la photo-caméra. Les lignes verticales représentent les temps, et les traits horizontaux de différentes longueurs correspondent aux impulsions données par le moulinet. Chaque trait plein (noir) représente un demi-tour d'hélice. La variation de leur longueur est fonction de la variation de vitesse du liquide. La solution adoptée rend possible un enregistrement pratiquement sans intertie, ce qui est très important pour les fluctuations rapides de la vitesse. L'étude graphique des bandes a été résolue à l'aide d'un abaque spécialement construit et dessiné sur plaque transparente (celluloïd). La figure 3 montre un tel abaque, dont les caractéristiques sont les suivantes : moulinet OTT-Minor ; hélice no 2-3 ; vitesse de déroulement de la bande de papier : 9,15 cm/s. Le principe de construction d'un tel abaque est donné sur la figure 4. Le graphiquea de cette figure représente la courbe de tarage du moulinet. Chaque valeur de y1 correspond à une valeur de la vitesse u. 815

3 O. Györke Photo - caméra 7 Oscilloscope 7 Bande de papier Figure 1 - Principe de la chaîne d'enregistrement des impulsions du moulinet oscilloscope muni d'une photo-caméra l'aide d'un I I L 1 Tour d'hélice ' Figure 2 - Bande de papier sortie de la photo-caméra La longueur L sur le graphique b - représentant la bande de papier - dépend de la vitesse de déroulement C du papier et donne en même temps l'échelle du temps. Cette vitesse sera choisie en fonction des vitesses de fluctuation et selon la précision voulue de l'évaluation graphique, parmi les vitesses de déroulement disponibles de la photo-caméra. Elle reste constante pendant la durée d'un enregistrement. Les longueurs Il, 12, et Z3 des traits noirs, représentant un demi-tour de l'hélice, dépendent de la vitesse de déroulement C du papier et du nombre de tours par seconde. Donc les vitesses vl, v2 et v3 du graphique a sont transformées et visualisées sur le graphique b en longueurs 11, 12, et 13. Sur l'axe vertical du graphiquec seront portées à une échelle appropriée et librement choisie les vitesses mesurées par le moulinet : vl, v2, v3... A la hauteur de chaque vitesse VI, v2, vg figure en abscisse la longueur respective : 11,12,13. Les deux pointillés reliant les deux extrémités des Il, 22, constituent l'une des paires de courbes de l'abaque d'évaluation. Cette paire de courbes se réf6re à des signes qui correspondent à un demi-tour d'hélice. De la même manière, on peut construire les paires de courbes valables pour 1,2 et même pour 3 tours d'hélice, dont l'utilisation devient nécessaire pour l'évaluation des vitesses plus élevées. 816

4 Figure 3 - Abaque construit et dessiné sur plaque transparente (celluloïd) 817

5 O. Györke Révolution [Seconde I P -c DIL I4 14 L = C, x 1 SEC -! r - II I :I11 Figure 4 - Principe de construction d'un abaque SUI plaque transparente (celluloïd). a. Courbe de tarage d u moulinet. b. Bande de papier. c. Vitesses mesurées par le moulinet. 81 8

6 Evaluation des fluctuations de vitesse, mesurées par micromoulinet et enregistrées sur bande d oscilloscope 819

7 O. Györke A une distance librement choisie de l axe v = O (cm/s), au point P se trouve un trou à travers lequel on marque, à l aide d un piquoir, le point évalué de la vitesse instantanée. A chaque hélice et vitesse de déroulement du papier appartient un abaque particulier construit avec leurs paramètres respectifs. La figure 5 présente l utilisation de l abaque. En haut du papier à dessin sera placée la bande d enregistrement furée dans la position indiquée. I1 est important que les lignes horizontales qui se trouvent sur la bande (voir fig.2) soient très précisément des droites. On place l abaque dessiné sur celluloïd sur la bande, de telle manière que les lignes horizontales sur le celluloïd soient parallèles aux lignes horizontales de la bande et, ensuite, on fait glisser le celluloïd dans le sens vertical jusqu à la ligne v = O, ou bien jusqu à une autre ligne u, de façon que la vitesse minimale parmi les vitesses instantanées enregistrées coïncide avec l axe horizontal des signes enregistrés. Par une piqûre au point P, on marque la position de la ligne horizontale de la vitesse correspondante. On marque de la même manière d autres horizontales pour d autres valeurs de la vitesse et on les trace parallèlement à l axe de la bande d enregistrement placée dans le haut du papier dessin. L échelle de temps est déterminée par la vitesse de déroulement C de la bande d enregistrement. On trace donc des lignes perpendiculaires représentant des intervalles de 1 seconde marqués sur labande. Ainsi le système de coordonnées est prêt et l on peut procéder l évaluation point par point des valeurs instantanées de la vitesse fluctuante. On procède de cette façon par demi-tour d hélice si les fluctuations sont rapides, ou par un et parfois deux tours d hélice s il n y a pas de fluctuation appréciable et si les vitesses enregistrées sont assez élevées. On fait glisser le celluloïd de l abaque dans le sens vertical et horizontal jusqu à ce que les paires de lignes pour 1/2,1 ou 2 tours coïncident avec les deux extrémités des signes correspondant à 1/2, 1 ou 2 tours d hélice (voir fig. 2). La bonne position de l abaque est atteinte si la coïncidence est parfaite et si les lignes horizontales et verticales dessinées sur celluloïd sont parallèles aux lignes respectives du système de coordonnées sur le papier à dessin. Par une piqûre au point P de l abaque, l évaluation est terminée : la valeur instantanée de la vitesse est furée en fonction du temps. On passe au prochain signe de la bande et en espaçant les points selon la précision désirée, en piquant toujours en P. En reliant les piqûres, on obtient le déroulement dans le temps des fluctuations de vitesses comme le montre la figure 5. En haut de l abaque (voir fig. 3 et 5) l abscisse v = O est traversée par les paires de lignes a, b, et e, ce qui rend possible une correction dans la préparation du système de coordonnées dessiné sur le papier : le zéro de l échelle pour les vitesses figurant sur l ordonnée doit être déplacé vers le haut ou vers le bas jusqu à ce que la paire de lignes a (ou b et e) coïncide (nt) avec la ligne des signes de la bande d enregistrement, c est-à-dire les verticales qui marquent respectivement le commencement et la fin des intervalles de temps de 1 (2 et 3) seconde (s). Cette correction devient nécessaire si la vitesse de déroulement du papier diffère un peu de la vitesse prévue 1 la construction de l abaque, ou bien si la ban& d enregistrement a subi des allongements longitudinaux pendant le développement photographique. Les abaques présentés ont donné entière satisfaction pour les études effectuées sur modèles réduits de grandes dimensions. 820

8 Evaluation des fluctuations de vitesse, mesurées par micromoulinet et enregistrées sur bande d oscilloscope Ils peuvent être utilisés même pour des études in situ, c est-à-dire pour l évaluation des fluctuations de vitesses mesurées dans la nature à l aide des moulinets conventionnels dans les fleuves, rivières et autour des constructions hydrotechniques, etc. Leur utilisation rend possible la valorisation ultérieure des enregistrements anciens du point de vue des fluctuations de vitesse, c est-à-dire qu on peut les exploiter pour obtenir des données nouvelles précieuses, même lorsqu elles n étaient pas prévues à l époque des mesures et de l enregistrement. 821