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ECOULEMENTS A SURFACE LIBRE BNIAICHE EL Amine ITSMAERB Département : « Gestion & Maîtrise de l’Eau » 2013 I-GÉNÉRALITÉS: I.1- Caractéristiques d’un canal: Section du canal: géométrie du canal dans un plan perpendiculaire à son axe. Tirant d’eau (y): distance de la section libre /au point le plus bas de la section du canal Section mouillée (S): la partie de la section limitée par les parois et la surface libre Largeur au miroir (L): largeur de S au niveau de la surface libre. Périmètre mouillé (Pm): périmètre de la section mouillée en contact avec les parois. Rayon hydraulique (Rh): Rh=S/Pm Vitesse moyenne (V): V=Q/S. Pente du canal (I): géométrie du canal dans un plan perpendiculaire à son axe. I Z f 2 Zf 1 x 2 x1 Z Zf1 Fond du canal Zf1 et Zf2 cotes du fond aux points 1 et 2 x1 Zf2 x2 Section mouillée Radier = Fond du canal Z pente I dz dx sin x Exemples calcul rayon hydraulique : Le rayon hydraulique est le paramètre qui permet de prendre en compte l'influence du frottement du liquide sur les parois de la canalisation. Plus il est grand plus la section de passage est grande par rapport au périmètre "frottant". La perte de charge sera d'autant plus faible, que le rayon hydraulique sera grand. Cas d’un canal rectangulaire: y L Rayon hydraulique Rh L. y L 2. y si infiniment large : Rh S P y Cas d’un canal trapézoïdal: B a Rev 1 y m b: largeur du fond du canal B: largeur au miroir Y: tirant d’eau Rev: revanche : angle des talus m: coefficient de pente de talus b Section S mouillée by my Périmètre 2 mouillé Pm b 2 y 1 m posons Rayon ( b my ) y Rh 2 m 2 1 m ' 2 hydrauliqu S Pm e by my 2 bm y ' P bm y EXEMPLE: ' S ( b my ) y ( 8 1, 5 * 2 , 5 ) * 2 , 5 29 , 4 m 2 Déterminons le rayon hydraulique d’un canal trapézoïdal si la largeur du canal de fond b= 8 m, le tirant d’eau dans le canal y= 2,5 m, le coefficient de la pente du talus m= 1,5. Pm b 2 y 1 m Rh S Pm 29 , 4 17 , 02 2 8 2 * 2 ,5 1 1,5 17 , 02 m 1, 73 m 2 Cas d’un canal partiellement plein: Périmète Pm 2 mouillé D : D 2 Surface mouillée : 2 D 2 D2 1 D S * * 2 R sin * R cos * * sin * cos 2 2 2 2 8 2 2 4 4 2 D2 D2 D sin * * sin 8 8 8 Rayon h ydraulique D Rh S Pm 8 2 2 : sin D D sin 1 4 I.2- Charge en un point, charge moyenne et charge spécifique: Charge en un point: H M Z M PM g z ; yM Z PM g z cos VM Z 2 ZM 2g z yM M P M gy M cos très faible cos 1 d' où PM gy M Ainsi H M Z M yM VM x 2 2g Charge moyenne dans une section: H 1 S 2 PM VM ZM g 2g H Z V 1 Z S VM 2 2g dS 2 avec V : vitesse moyenne 2g Z : Cote de la surface libre ( SL ) 1 1, 2 en pratique 1 H m Z V 2 2g Charge spécifique dans une section: C’est la charge mesurée par rapport au radier au niveau de la section d’écoulement: Surface libre Hs H zf y V 2 2g Types d’écoulement: Ecoulement permanent Ecoulement transitoire Régime uniforme Régime varié Régime permanent à Q variable Q= Cste Q= Cste Q= Q (x) Q= Q(x,t) v= v0 v= v(x) v= v (x) V= v (x,t) Y=Y0 Y=Y (x) Y=Y (x) Y= Y (x,t) Variabilité dans le temps On parle d'un écoulement permanent si la profondeur hydraulique et les vitesses moyennes et ponctuelles de l'écoulement du canal ne varient pas dans le temps. l'écoulement est considéré non-permanent si la profondeur hydraulique varie dans le temps Variabilité dans l'espace L'écoulement d'un canal est uniforme si la profondeur hydraulique et la vitesse restent invariables dans les diverses sections du canal. L'écoulement d'un canal est non-uniforme si la profondeur hydraulique et la vitesse change d'une section à l'autre du canal. Types d’écoulement 1-Ecoulement Uniforme 2-Ecoulement graduellement varié 3-Ecoulement rapidement varié Déversoir Déversoir Ressauts Seuil du déversoir Ecoulement uniforme dans un canal trapézoïdal Ecoulement uniforme dans un canal semi circulaire Chute Écoulement au-dessous d’une vanne Ressauts hydrauliques Ressauts hydrauliques Ecoulement fluvial Ecoulement torrentiel y1 y2 II-ECOULEMENT UNIFORME: y, S, V, Q sont constants (géométrie, pente et nature de parois constantes) II.1- Equation du régime uniforme: Z Considérons 2 section de fluide 1 et 2; d’après le théorème de Bernoulli, la perte de charge unitaire entre 1 et 2 est: j H1 H 2 x dH H Z avec V 2 2g dx Z f y V 2 Z y Zf 1 2 2g y= et V = Cstes dH dx dZ f x I or dx x 2 V C: coefficient de Chézy (nature de paroi) 2 C Rh de ou en remplçant Chézy 1 C n I j V Rh 1/ 6 , on trouve l ' équation 4/3 2 h de Manning de Manning Strickler 2 1 / n R Formuele x2 Equation du régime uniforme j Formuele x1 f dx j I I dZ Strickler ( Expériment ale ) n: Coefficient de rugosité) Ou V 1 n I Rh 2/3 et Q 1 n S Rh 2/3 I Nature des parois n 1/n 0.0133 75,19 Canal en terre, enherbé 0.02 50 Rivière de plaine, large, végétation; peu dense 0.033 30,3 0.1-0.066 10-15,15 0.05 -0.033 20-30,30 < 0.1 < 10 Béton lisse Rivière à berges étroites très végétalisées Lit majeur en prairie Lit majeur en forêt Problèmes de calculs hydrauliques des canux trapézoïdaux: Caractéris tiques : Q, n, I, b, y, m, V Principaux types de problèmes Problème : de 1 èr type : Définir Q et V sachant I, n, b, y et m Exemple: Déterminer Q et V dans un canal trapézoïdal, si n=0,025, I= 0,0002, m = 1,25, b= 10 m, y = 3,5 m ? B Solution: S by my 10 * 3,5 1, 25 * 3,5 50 ,3 m 2 2 2 m Pm b 2 y 1 m 10 2 * 3,5 1 1, 25 21 , 2 m 2 Rh S Pm Q kSR h 50 ,3 1 y 2 b 2 ,37 m 21 , 2 2/3 I 1 n SR h 2/3 I 1 0 , 025 * 50 ,3 * 2 ,37 2/3 0 , 0002 50 , 6 m / s 3 Problème de 2 ème type : Définir On calcule K Q y (ou b) et V sachant et simulons les valeurs Q, I, n, b(ou y) et m de b ou y; on détermine I arrêter la résolution par approximat ions succesives S, P m , R h et k (estimé) quand k k (estimé) Exemple: Déterminer la largeur b du fond d’un canal trapézoïdal et la vitesse moyenne v de l’eau, si Q= 5,2 m3/s, n=0,025, I= 0,0006, m = 1, y = 1,2 m ? B Solution: Q kSR h 2/3 si K kSR h 1 y I m 2/3 K Q I 5,2 213 m et K=1/n. , Rh S Pm On dresse les résultats dans le tableau ci-contre. D’après les données du tableau on trouve que b recherché est égal à 3,8 m /s b 0 , 0006 En prenant une série de valeurs de b, on calcule S ( b my ) y , Pm b 2 y 1 m 2 3 b (m) S (m2) Pm (m) Rh (m) Rh2/3 (m) 1/n K (m3/s) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1,44 2,04 2,64 3,24 3,84 4,44 5,04 5,64 6,24 3,39 3,89 4,39 4,89 5,39 5,89 6,39 6,89 7,39 0,424 0,524 0,601 0,662 0,712 0,753 0,788 0,818 0,844 0,565 0,650 0,712 0,760 0,797 0,828 0,853 0,875 0,893 40 40 40 40 40 40 40 40 40 32,522 53,028 75,189 98,443 122,461 147,035 172,025 197,336 222,900 Problème de 3 ème type : Définir Un système :S de 2 équations y et b sachant Q, V , I, n, et m Q by my 2 Pm et V S b 2y 1 m Rh Exemple: Déterminer les paramètres de la section liquide du canal trapézoïdal, si Q= 19,6 m3/s, n=0,025, I= 0,0007, m = 1, V = 1,30 m/s ? Solution: V kR h et S Rh Q 2/3 I V k I 3/2 15 ,1 by my kR h nV I 2 2/3 V 49 ,13 m / s I 3/2 1, 36 m by 1 y 2 ou by y 15 ,1 2 V Pm S 11 ,1 b 2 y 1 m 2 b 2y 2 Rh Solution du système: b= 5,5 m et y= 2,02 m ou b 2 ,82 y 11 ,1 2 II.3- Calcul de la section économique ou optimale: La construction d’un canal pour transporter un débit Q, avec une pente I et un coefficient de rugosité n, coûtera d’autant moins cher que la section, S, sera optimale càd correspondant à la valeur minimale du périmètre mouillé. y=1m y = 0,5 m Une même section mouillée peut correspondre à des périmètres mouillés différents b=1my b = 0,5 m L S 1 0 ,5 1 0 ,5 m 2 Pm 1 0 ,5 2 1 2 ,5 m S 2 1 0 ,5 0 ,5 m 2 Pm 2 1 2 0 ,5 2 m Connaissant I et α, d’un canal trapézoïdal quelle est de toutes les sections ayant la même surface celle qui donne Qmax ? Les variables étant b et y Q 1 2 1 R H3 I 2 S S b my y d ' où Q max Pm . min B Pm b 2 y 1 m ² 1 S Q Pm 2/3 I 2 S I 2 S 5/3 S Pm Pm dP 0 ; 2 1 m² b 2 my y S cste m b 2/3 dS 0 2 1 m ² dy db 0 db 2 1 m ² dy b 2 my dy ydb 0 b 2 y 1 m ² 2 my 1 y 1 RH Pm . min P P dP dy db 0 y b dS S dy S db 0 y b 1 1 db 2y b 2 my dy y 1 m² m Section mouillée économique S b my y 2 y 2y Périmètre Pm b 2 y 2y 2 d ' où : 1 m ² my y y mouillé 2 2 1 m² m économique 1 m² 2y 1 m² m RH 1 m ² 2 my my y S Pm y 2 2 1 m² m 2y 1 m² m 2 y 2 1 m² m y 2 1 m² Exemple Trouver les caractéristiques de la section la plus avantageuse d’un canal rectangulaire transportant un débit de 10 m3/s sous une pente de 0,0001. Le coefficient de Manning est pris égal à 0,019. Solution y RH S y 2 2 2 Section Q 1 2 y Section 1 m² m RH 3 1 3 et ire rectangula 2 b 2y m 0 1 y I S 2 Q I 3 rectangula 8 2 1 3 ire 1 m² m A 2y 2 2 3 I 2y 0 , 019 10 4 10 m 0 2 3 8 2 , 77 m b 2 y 2 2 , 77 5 , 54 m Exemple Trouver les caractéristiques de la section la plus avantageuse d’un canal trapézoïdal (m = 2) transportant un débit de 10 m3/s sous une pente de 0,0001. Le coefficient de Manning est pris égal à 0,019. Solution y RH S y 2 2 2 Section tr Q 1 1 m² m et apézoïdale : m 2 2 R H3 1 1 y I S 2 2 3 Q y 5 1 I b 2 b 2y 3 8 1 m² m 2 3 I 2 2 5 1 y 2 S 2y 2 3 0 , 019 10 4 5 1 10 1 5 1 3 8 2 , 55 m 5 2 y 2 5 2 2 , 55 1, 20 m et b 2y 52 III-ECOULEMENT GRADUELLEMENT VARIE: Q = constant ; S, V et y sont fonction de x ; Pente du fond pente de la surface libre FLUVIAL III.1- Equation du régime : dH j yn dx H Z 2 V Z y f 2g 2 V Z 2g yc TORRENTIEL Hs f y1 dH dx dZ f dx dH j I dx Hs y dH s s dx 2 V 2g Q gS dy dx 2 3 s 2 2 gS dS dS Bdy y dy (1)/(2) dH Q dH s I j graduellement varié dx 2 dH dy 2 s 1 Q B gS 3 I j 2 1 (1) Equation du régime Q B gS 3 Relation permettant de suivre l’évolution de la profondeur de l’eau dans le canal (y) en fonction de (x) (2) yn III.2- Profondeur normale & profondeur critique: III.2.1- Profondeur normale (yn): Valeur de yn pour laquelle I - j = 0. Il correspond au tirant d’eau de l’écoulement uniforme V I j 2 2 k R Q 4/3 2 k S 2 2 d’où on peut tirer la valeur de yn 4/3 yn R ( yn ) dH III.2.2- Profondeur critique (yc): Hs dH Valeur de y pour laquelle s dy 0 dy dH 0 s s 0 Hs y dy Pour Q donné, c’est la valeur de y pour laquelle Hs est minimale H dH dy s y V 2 ou H 2g 2 s 1 0 3 2 gS Q B gS ( yc ) si y 0 y 2 2 y ( y) 2 Q B gS s Q 1 S 2 3 1 ; d' où la valeur critique yc yc ( yc ) ;H s Hs 0 asymptote verticlae si y 1 S 2 0 ;H s et H s y 0 Hs y asymptote oblique III.2.3- Nombre de Froude (régimes d’écoulement) 2 Q B Posons: gS Si F 1 3 F dH dH s 0 y yc Régime critique dH s 0 y yc Régime s 0 y yc Régime Torrentiel dy Si F 1 2 dy dy Si F 1 1 F s dH dy fluvial III.2.4- Pente critique (Icr): Valeur de la pente I pour laquelle yn = ycr. I cr j V 2 2 k Rh 4/3 Q 2 k S 2 2 y cr R h 4/3 ( y cr ) 2 Connaissan Q B cr t gS alors I cr 3 ( yc ) gS ( cr ) 2 k R h cr 4/3 B cr 1 en régime critique EXEMPLE Un canal rectangulaire 12 m de large débite 14 m3/s sous une profondeur de 1,22 m. 1. Quel est le régime d’écoulement dans ces conditions si le coefficient de Manning est pris égal à 0,017? 2. Calculer la pente critique de ce canal. 3. Quelle pente faut il donner à ce canal pour produire un écoulement uniforme sous une profondeur de 1,22 m? SOLUTION 1 - Régime F d' écoulement BQ 2 gS 3 : 12 14 2 9 ,81 1, 22 12 3 0 , 28 F 1 Régime fluvial 2 - Pente critique : gS c 2 Ic 4 R H3 B c c F 1 BcQ gS S c Bc yc R hc Sc Bc 2 yc Ic d ' où : 2 1 3 c Sc yc Q 1 S 6 , 21 12 2 0 , 52 0 , 017 2 4 Rh 3 I S 2 g Sc 3 BcQ 2 3 12 14 g 2 6 , 21 m 9 ,81 0 , 52 m 0 , 476 m 9 ,81 6 , 21 3 BcQ 12 6 , 21 uniforme 2 Bc 0 , 476 3 - Pente 3 c 3 , 95 10 3 12 : I 2 Q 0 , 017 14 2 2 3 R h 3 S 12 1, 22 12 1, 22 12 2 1, 22 2 4 2 , 5 10 2 IV-ECOULEMENT RAPIDEMENT VARIE: IV.1- Définition: Le ressaut hydraulique est une surélévation brusque de la surface libre d’un écoulement permanent qui se produit lors du passage du régime torrentiel au régime fluvial. Il est accompagné d’une agitation marquée et de grandes pertes d’énergie. RESSAUT FLUVIAL h TORRENTIEL y1 y2 Longueur du ressaut : Les hauteurs y1 et y2 sont appelées « profondeurs conjuguées du ressaut ». La perte de charge est représentée par Δh. IV.2- Détermination des profondeurs conjuguées: On ne peut pas appliquer le théorème de Bernoulli entre la section 1 et 2. La perte de charge n’est pas connue et les formules du régime uniforme ne sont pas applicables. C’est le théorème d’Euler qui permet de résoudre le problème. En raisonnant, suivant un tube de courant en régime permanent, les forces qui agissent sur cet élément sont : Ressaut hydraulique Fp2 P (faible) V2 V1 y1 F p1 1 F fr Section amont du ressaut y2 2 Section aval du ressaut En écrivant le théorème de la quantité de moment: PF p1 F p2 F Q (V fr 2 F Q (V 2 V 1) En négligeant la force de pesanteur et les forces de frottement, on a : gS 1 y G 1 gS 2 y G 2 Q (V 2 V1 ) Soit q: débit unitaire (l/h/m) g y1 2 2 y1 2 y2 2 2 remplaçons q g V 2 les vitesses y2 2 by 2 bq V 2 V1 V1 par le débit : 2 q q q q 1 1 2 2 g y2 y1 g y2 y 1 2 by 1 g 2 y1 d ' où : y2 2 2 q y1 y 2 y y g y 1 y 2 2 1 2 2 V 1) 2 2q 1 y1 y 2 g y 1 y 2 extrayons y 2 f(y 1 ) ou vise y1 y2 1 2 y y 2 y y1 2 1 2 2 2q g 2 y1 y y y 2 2 2 2 1 2q 2 g versa : 2 8q y1 1 1 3 gy 1 2 2 8 V1 y 1 y1 1 1 3 gy 1 2 2 8V1 1 gy 1 Finalement on obtient: y2 1 2 y1 1 8F 2 r1 et y2 2 y1 1 1 8 Fr 2 2 y1 et y2 sont appelées profondeurs conjuguées du ressaut. 0 IV.3- Longueur du ressaut: Ligne de charge H 2 V2 D’après l’expérimentation, cette longueur (m) peut être calculée à partir de la formule de Miami: V1 2g 2 2g y2 L 6 y 2 y1 y1 L IV.4- Pertes de charge d’un ressaut: h H s1 H s 2 2 V1 y1 2g 2 2 2 2 2 V2 V1 V2 V1 V 2 y2 y1 y2 y1 y 2 2g 2g 2g 2g 2g 2 2 Q 1 1 Q 1 1 h y1 y 2 2 y1 y 2 2 2 2 2 2 2 g S1 S 2 2 g b y1 b y 2 2 2 2 q y 2 y1 2 2 h y1 y 2 2 g y1 y 2 2 2 2 q y1 y 2 y1 y 2 2 2 y y 2 g 1 2 2 q 1 1 y1 y 2 2 2 2 g y1 y 2 y1 y 2 h y1 y 2 2 g y1y 2 q h y1 y 2 D’où: 2 y 2 1 y1 y 2 y y 1 2 2 y 2 y1 y 2 y y 4 1 2 h y 2 y1 4 y1 y 2 3 y y 2 2 g y1 y 2 y1 y 2 y2 1 2 y y 2g 2q 1 2 q 2 y1 y 2 2 y 2 1 1 4 y y 1 2 EXEMPLE Un canal rectangulaire 10 m de large se compose de 3 tronçons. Le premier a une pente I1 , le deuxième a une pente I2 = 0,02 et le fond du troisième est horizontal. Le canal est en béton avec un coefficient de rugosité de Manning de 0,0133. Le débit étant de 100 m3/s. 1. Calculer la profondeur et la pente critiques de ce canal. 2. Si la profondeur uniforme dans le 1er tronçon est 5 m, Quel est le régime d’écoulement dans ce tronçon? Calculer son nombre de Froude. 3. Quel est le régime d’écoulement dans le 2ème tronçon ? Calculer son nombre de Froude. 4. Calculer la profondeur à l’aval immédiat du ressaut qui se forme dans le tronçon horizontal. SOLUTION 1 - Profondeur BQ 2 gS 3 1 et pente critiques BQ du canal : 2 S 3 g gS c 2 BQ g 2 Ic RHc et 4 R H3 B c By c Sc Bc 2 yc 3 Q yc By c B 2 yc 3 2 2 100 3 2 10 9 ,81 2 B g 10 2 ,17 10 2 2 ,17 2 ,17 m 1,51 m c 0 , 0133 9 ,81 10 2 ,17 2 Ic 2 ,17 10 4 3 1, 51 3 10 2 - Régime et nombre de Froude dans le tronçon 1 : y c 2 ,17 m Fr 1 2 B Q gS 3 - Régime 3 B Q gS 10 100 y1 y c 3 3 9 ,81 10 5 3 2 B Q 2 g By 2 3 Régime fluvial 0 , 28 I 2 0 , 02 et 2 et nombre de Froude dans le tronçon I c 2 ,17 10 Fr 2 y1 5 m et Q 2 2 3 gB y 2 2: I2 Ic Q 1 By 2 gy 2 Régime torrentie l Calculons y 2 par la formule de Manning - Strickler : 2 Q 1 2 1 RH I22 3 2 1 S2 S2 B 2 y 2 2 1 1 1 I 2 S 2 2 B 2 y 2 3 5 Q 1 B 1 1 1 I 2 S 3 2 2 B 2 y 2 5 2 y 2 3 2 I 2 2 Q 5 1 3 2 y 2 5 3 B 3 5 1 I 2 2 B 3 y B 5 1 3 I 2 By 3 2 2 5 3 2 2 y 2 3 2 0 , 0133 100 1 5 0 , 02 10 3 2 y 23 B 2 y 2 3 5 f ( y2 ) Procédons y 23 B 2 y 2 3 2 à la résolution 0 , 2026 itérative de cette équation : y2 1 f ( y 2 ) 0 ,1907 0 , 2026 y 2 1, 05 f ( y 2 ) 0 , 2058 0 , 2026 y 2 1, 04 f ( y 2 ) 0 , 2027 0 , 2026 Fr 2 Q 1 By 2 gy 2 4 - Profondeur y3 1 2 y2 100 1 10 1, 04 9 ,81 1, 04 à l' aval immédiat 1 8 Fr 2 2 1,04 2 3 , 01 Fr 2 1 du ressaut : 1 1 8 3 , 01 2 y 2 1, 04 m 3,94 m Ecoulement torrentie l 2 5- Schéma de la ligne d’eau: Ressaut hydraulique y1 = 5 m Tronçon 1 yc = 2,17 m y3 = 3,94 m Ecoulement fluvial Tronçon 3