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Ressauts hydrauliques

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Un ressaut hydraulique est un phénomène qui se produit dans les rapides de flux ouverts lorsque l’écoulement devient instable. En cas d’un saut, la hauteur de la surface du liquide augmente brusquement entraînant une profondeur accrue et la vitesse d’écoulement moyenne diminuée en aval. Un effet secondaire important de ce phénomène est qu’une grande partie de l’énergie cinétique de l’écoulement en amont est dissipée en chaleur. Bien que souvent ressauts hydrauliques se posent naturellement, comme dans les rivières ou le flux dans un évier domestique, ils sont aussi délibérément integrees dans grand aqueduc pour minimiser l’érosion, ou augmenter le mélange. Cette vidéo va illustrer les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques dans un canal rectiligne et ensuite démontrer le phénomène expérimentalement à l’aide d’une installation de débit canal ouvert à petite échelle. Après avoir analysé les résultats, certaines applications de ressauts hydrauliques seront discutées.

Considérons l’écoulement dans une section large, tout droite d’une voie ouverte où survient un ressaut hydraulique et construire un volume de contrôle sur une écluse autour du saut. Si la vitesse d’écoulement est uniforme à l’entrée et la sortie, conservation de la masse donne une relation simple entre les profondeurs de liquide en amont et en aval. Profondeur, multipliée par la vitesse est constante. On trouvera une deuxième relation en prenant en considération la conservation du moment. Transporté à travers l’entrée et la sortie de masse porte momentum avec elle est égale au flux correspondant masse multipliée par la vitesse d’écoulement. Les forces hydrostatiques sur la surface du volume contrôle également contribuent à l’équilibre dynamique et doivent être inclus. Ces forces sont égales à la moyenne pression sur la surface multipliée par la superficie. À ce stade, il est utile d’introduire le nombre de Froude, une quantité sans dimension nommé d’après l’anglais ingénieur et physicien, William Froude. Le nombre de Froude caractérise la force relative de fluide dynamique aux forces hydrostatiques. Maintenant, si la relation de l’élan est réécrite en ce qui concerne le nombre de Froude, avec la vitesse de sortie éliminée par substitution en utilisant la relation masse, le résultat est une équation cubique en ce qui concerne le ratio des profondeurs en aval et en amont. Cette équation peut être simplifiée en factorisant la solution triviale où les profondeurs en amont et en aval sont égaux. Les deux solutions restantes sont faciles à trouver à l’aide de l’équation quadratique, mais la solution négative peut être éliminée puisqu’il est non physiques. Le reste de la solution correspond à une augmentation de la profondeur, un ressaut hydraulique, soit une diminution de profondeur et une dépression hydraulique, basée sur la valeur du nombre de Froude en amont. Si le nombre de Froude en amont est supérieur à un, le flux a une énergie mécanique élevée et supercritique ou instables. Une dépression hydraulique ne peut se former dans ce régime car il augmenterait l’énergie mécanique et violer la seconde loi de la thermodynamique. En revanche, un ressaut hydraulique peut se former, soit spontanément, soit en raison de certaines perturbations dans le flux. Un nombre de Froude d’entrée de l’un représente le seuil minimal pour l’apparition d’un ressaut hydraulique. Ressauts hydrauliques dissipent l’énergie mécanique en chaleur et réduisent de façon significative l’énergie cinétique, tout en augmentant légèrement l’énergie potentielle de l’écoulement. Comme l’augmentation de nombre de Froude, fait rapport des profondeurs en aval vers l’amont et la quantité d’énergie cinétique dissipée en chaleur. Maintenant que nous comprenons les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques, nous allons les examiner expérimentalement.

Tout d’abord, fabriquer la facilité de circulation canal ouvert tel que décrit dans le texte. L’installation dispose d’un réservoir supérieur et inférieur, relié par un canal ouvert. L’eau pompée dans le réservoir inférieur est déposé dans le réservoir supérieur avec le débit contrôlé et mesuré par un robinet et le compteur de débit en ligne avec la pompe. Laine d’acier dans le réservoir supérieur aide à répartir l’eau sur toute la largeur de la section, et la vanne réglable contrôle la profondeur fluide lorsqu’elle entre dans le canal. Après traversant le canal, le fluide est déposé dans le réservoir inférieur. La facilité d’écoulement étant montée, mis en place sur un banc et retirer des appareils électroniques à proximité. Branchez la pompe sur une prise GFCI pour minimiser le risque de choc électrique et remplissez le réservoir inférieur avec de l’eau. Vous êtes maintenant prêt pour réaliser l’expérience.

Régler la vanne à environ cinq millimètres. Mesurer la hauteur finale de l’écart sous la vanne à l’aide d’une règle et consigner cette distance que la profondeur de l’écoulement en amont, H1. Lorsque vous avez terminé, mettre en marche la pompe et la vanne permet de maximiser la vitesse d’écoulement sans dépasser l’échelle sur le débitmètre. Réutiliser la règle pour mesurer la profondeur fluide après le ressaut hydraulique. Enregistrer la vitesse d’écoulement, avec cette deuxième distance qui correspond à la profondeur du débit en aval, H2. Avant de continuer, observer la forme du ressaut hydraulique. Vous devriez remarquer des transitions plus grandes, plus abruptes pour des débits plus élevés et des transitions plus petites, plus progressive pour des débits inférieurs. Maintenant, répétez vos mesures et observations pour des débits inférieurs successivement. Essayez de déterminer la vitesse d’écoulement de seuil minimum pour la formation d’un ressaut hydraulique. Une fois que vous avez trouvé le débit seuil, vous êtes prêt à analyser les résultats.

Pour chaque débit volumétrique, vous devriez avoir une mesure de la profondeur de fluide en aval. La profondeur en amont est la même pour tous les cas. Effectuer les calculs suivants pour chaque mesure et propager les incertitudes le long du chemin. Tout d’abord, déterminer la vitesse d’écoulement d’admission. Diviser le débit volumétrique par la largeur et la profondeur en amont. Ensuite, évaluer le nombre de Froude en amont à l’aide de la définition donnée à l’avant et son remplacement par l’accélération due à la gravité, ainsi que la hauteur amont et la vitesse. Maintenant, utilisez le nombre de Froude et la solution non triviale pour la saut en hauteur pour calculer la profondeur théorique en aval. Comparer la prédiction théorique de la profondeur mesurée en aval. Aux débits supercritique, les prédictions correspondent les profondeurs mesurées au sein de l’incertitude expérimentale. Regardez vos résultats pour le débit du seuil. Au sein de l’incertitude expérimentale, le nombre de Froude est l’un, comme nous l’avions prévu de l’analyse théorique. Le taux de perte d’énergie mécanique par le ressaut hydraulique peut aussi être calculé à partir de ces données. Tout d’abord, calculer l’énergie mécanique du fluide qui se jettent dans le saut, qui est la somme des débits de l’énergie cinétique et potentielle à l’entrée. Maintenant, déterminer le débit d’énergie de la même manière, mais avec des valeurs à la sortie. Le taux de dissipation de l’énergie mécanique à la chaleur est la différence entre les tarifs d’entrée et de sortie. Dans cette expérience, le taux de perte d’énergie peut atteindre environ 40 % de l’énergie d’entrée, ou supérieur. Ces résultats mettent en évidence l’efficacité des analyses de l’élan et expériences en modèle pour comprendre et prédire le comportement de systèmes hydrauliques. Maintenant regardons quelques autres façons ressauts hydrauliques sont utilisés.

Ressauts hydrauliques sont un phénomène naturel important avec de nombreuses applications d’ingénierie. Ressauts hydrauliques sont souvent conçus en systèmes hydrauliques pour dissiper l’énergie mécanique d’un fluide en chaleur. Cela réduit le risque de dommages par jet liquide à grande vitesse des évacuateurs de crues. À des vitesses d’écoulement élevé de canal, sédiments peut être levé de lits de rivière et fluidisé. En réduisant les vitesses d’écoulement, ressauts hydrauliques aussi réduisent le potentiel de l’érosion et l’affouillement autour de pieux. Dans les stations d’épuration, les ressauts hydrauliques sont parfois utilisés pour induire de mélange et d’aérer les flux. L’entraînement mélange de performance et de gaz de ressauts hydrauliques peut être observé qualitativement dans cette expérience.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à ressauts hydrauliques. Vous devez maintenant comprendre comment utiliser une approche de contrôle volume pour prédire le comportement de l’écoulement et comment mesurer ce comportement à l’aide d’une installation de flux du canal ouvert. Vous avez également vu quelques utilisations pratiques pour l’ingénierie des ressauts hydrauliques dans des applications réelles. Merci de regarder.

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