SIMULATION D UN RÉSEAU D EAU : DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES SANS BANC D ÉTUDE

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1 Classe : Terminale STL-SCL Enseignement : Systèmes et rocédés SIMULATION D UN RÉSEAU D EAU : DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES SANS BANC D ÉTUDE Fiche de présentation de la ressource Document professeur Sommaire A. Extraits du BOEN... 2 I. Dans le programme Systèmes et rocédés... 2 II. Dans le programme terminale tronc commun STI2D/STL... 2 B. résentation de la ressource... 3 C. Utilisation du logiciel à travers un exemple simple... 4 D. Simulation d un réseau d eau potable «réaliste»... 1 Mots clés de recherche : mécanique des fluides, pertes en charges, simulation. rovenance : hilippe Lardanchet : [email protected] Olivier Schira : [email protected] page 1/11

2 A. Extraits du BOEN I. Dans le programme Systèmes et rocédés Mécanique des fluides Notions et contenus Conservation de l'énergie. Fluide incompressible en mouvement. uissance hydraulique. ertes de charge. Capacités exigibles - Énoncer et exploiter la loi de conservation de l'énergie d'un fluide incompressible en mouvement. - Déterminer expérimentalement l'influence de quelques paramètres sur les pertes de charge : vitesse d'écoulement, longueur et section de la canalisation, singularités II. Dans le programme terminale tronc commun STI2D/STL Les fluides dans l'habitat Notions et contenus ression dans un fluide parfait et incompressible en équilibre : s absolue, relative et différentielle. Équilibre d'un fluide soumis à la pesanteur. Écoulement stationnaire. Débit volumique et massique. Capacités exigibles - Mesurer des s (absolue et relative). - Citer et exploiter le principe fondamental de l'hydrostatique. - Expliciter la notion de vitesse moyenne d'écoulement dans une canalisation. - Mesurer un débit. - Citer et appliquer la loi de conservation de la masse. page 2/11

3 B. résentation de la ressource Cette ressource s intéresse à la distribution d eau potable. Elle présente quelques unes des possibilités de simulation offertes par le logiciel EANET. Ce logiciel permet la réalisation d un réseau d eau potable virtuel et l étude de l influence de différents paramètres sur les s et débits en différents points du réseau. Ce logiciel ainsi que ses manuels de présentation rapide et complet sont disponibles à l adresse : Le logiciel américain, traduit en français, est distribué gratuitement par l Environmental rotection Agency depuis le mois de septembre 1993 L objectif de la ressource est de permettre l étude des pertes en charges dans un réseau de distribution d eau potable. Le logiciel de simulation présenté pourra venir en complément d une étude expérimentale réalisée sur un banc de mécanique des fluides pour les lycées qui en possède. our ceux dépourvus de cet équipement, le logiciel permettra aux élèves de se placer dans une situation «vraisemblable» leur permettant d étudier de manière quantitative, l influence des différents paramètres de pertes de charges. La ressource permet une prise en main rapide par les enseignants en vue d une utilisation avec une classe. L intérêt du logiciel EANET est la possibilité d une adaptation rapide des élèves soit en partant d une situation déjà existante créée par l enseignant, soit en créant eux-mêmes leur propre réseau. L utilisation conjointe d un fond de carte permet de plus de tenir compte des contraintes naturelles d un secteur géographique préalablement défini (distance et altitude). page 3/11

4 C. Utilisation du logiciel à travers un exemple simple Un réseau d eau simplifié contient par exemple : Un château d eau avec une hauteur d eau de. Un lieu d utilisation de l eau (habitation ou entreprise) nécessitant un débit de 3 m 3 /h Une canalisation de mm de diamètre 1) Sans tenir compte des pertes en charges, la attendue par les utilisateurs est de 3 bars. 2) Simulation du réseau avec le logiciel EANET. résentation du logiciel Après l exécution du logiciel EANET, deux fenêtres sont proposées à l écran. La fenêtre principale, «Schéma du réseau» dans la quelle nous construirons le réseau hydraulique, La fenêtre de navigation «navigateur» qui permettra de définir les éléments (, débits ) que l on souhaite afficher lors de la simulation. our construire le réseau, nous disposons de trois familles d éléments : Les noeuds de demande, ce sont des points d entrée ou de sortie d eau. Les ressources en eau, la bâche et le réservoir. La bâche se distingue du réservoir par son caractère illimité en quantité d eau disponible. Les arcs, tuyaux, pompes et vannes qui permettent la distribution de l eau. Bouton SIMULATION Les éléments de construction du réseau Le choix des grandeurs physiques à afficher page 4/11

5 On dépose les éléments du réseau dans la fenêtre «schéma du réseau» et pour chacun, on définit ses caractéristiques principales (entourées en rouge ci-dessous) en double-cliquant sur l objet : Le diamètre du tuyau est en mm alors que sa longueur s exprime en m (les unités spécifiques pour chaque grandeur sont précisées dans le menu Aide Unités ). Le schéma du réseau est réalisé, il faut le simuler en précisant les grandeurs à afficher l affichage de ces valeurs dans les options du schéma puis en cliquant sur l icône simulation. Simulation Options du schéma choix des grandeurs à afficher page /11

6 Les résultats sont affichés sur le schéma du réseau : 3m 3 /h pour le débit, une de (colonne d eau mce) au pied du réservoir et seulement, 32 mce au niveau de l habitation. 42,32 Un fichier déjà paramétré avec l affichage des valeurs sur le réseau et une taille de police adaptée est proposé aux élèves : projet vide.net L étape suivante consiste à chercher avec les élèves les paramètres influant sur cette variation de obtenue au niveau de l habitation. page 6/11

7 3) Exemples d études possibles. a) Influence de la distance entre le château d eau et le lieu d utilisation On fixe le diamètre du tuyau et on fait varier sa longueur pour un débit donné mm Débit 3m 3 /h longueur L m 1, ,6 3 36,97 3,3 33, ,94 7 3, ,9 9 26,92 1 2, , ,4 16 1, ,83 2 8,48 2, L(m) Mêmes choses avec un débit plus faible mm Débit 1m 3 /h longueur L m 1 41, , 3 41,33 41,1,88 6,66 7,43 8, , , , , , , ,2 2 36, L(m) On met ainsi en évidence l influence de la longueur du tuyau sur les pertes de charges ainsi que l influence du débit à longueur égale. page 7/11

8 b) Influence du débit On fixe le diamètre du tuyau et sa longueur. On fait varier le débit Longueur mm 1m Débit D m 3 /h , ,21 3, ,12 37,6 6 3, , , ,4 1 2, , , , ,89 1, D (m3/h) On met en évidence l influence du débit sur la perte de charge Mêmes choses avec un diamètre plus important Longueur 8mm 1m 4 Débit D m 3 /h ,97 41, , , D (m3/h) Ici, avec un diamètre plus important, la valeur du débit a peu d influence sur la perte de charge page 8/11

9 c) Influence de la section Débit 3 m 3 /h Longueur d mm 1m 2 23,66, , , , d(mm) On met en évidence l influence du diamètre sur la perte de charge Mêmes choses avec un débit plus faible Débit 1 m 3 /h Longueur d mm 1m 2 39,7 41, , , d(mm) Ici, avec un débit plus faible, la valeur du diamètre a peu d influence sur la perte de charge page 9/11

10 D. Simulation d un réseau d eau potable «réaliste» Les élèves travaillent à partir d un extrait de carte IGN. Ils doivent mettre en œuvre le réseau de distribution pour alimenter deux hameaux : la Cougoulette (des habitations) et le hameau du airé (trois fermes). On supposera que les besoins en eau d une ferme sont de m 3 /h alors qu ils ne sont que de 1 m 3 /h pour une habitation. Le travail demandé est le suivant : 1) Avec le logiciel EANET, réaliser la simulation de ce réseau. Les résultats sont-ils conformes avec la contrainte d origine ( minimale de 3 bars)? Expliquer en simulant différentes situations. 2) En réalité, la norme impose une minimale de 1, bar au niveau du compteur et une statique maximale de 6 bars au niveau du compteur. La norme est-elle respectée? Si non, proposer une (ou plusieurs) solution(s). Le professeur a préparé un fichier reseau_2_hameaux.net dans lequel le fond de carte est intégré avec les dimensions adaptées à l échelle en mètres. Les commentaires qui suivent sont en direction de l enseignant souhaitant incorporer sa propre carte dans le logiciel. Il faut disposer d un fichier au format BM ou WMF. our l insérer en fond de carte, choisir le menu Affichage Fond d écran Importer La carte est intégrée en fond d écran pour le schéma du réseau d eau. Il reste à configurer les dimensions de la carte en mètres. Dans notre exemple, la portion de carte choisie de 2,3 17 cm correspond à une surface de m. ar défaut, le schéma impose des coordonnées 1 1 (sans unités). our notre image plus grande sur sa hauteur que sur sa largeur, le point de coordonnées ( ; 1) est situé en haut à gauche. Il faut modifier l échelle : 1 sans unité devient 282 m. page 1/11

11 ( ; 1) Remplacer par 282 Sélectionner l unité en mètres ( ; ) Lorsque les dimensions du schéma sont définies, les arcs tracés seront automatiquement dimensionnés à l échelle à condition de valider la longueur automatique. automatique. Faire un clic droit dans la partie inférieure gauche de la fenêtre (Long-Auto Auto Non) pour remplacer par Long Auto Oui. La longueur automatique est activée page 11/11