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Jul 28, 2023

Démystifier la mesure de la turbulence, de la vitesse et du débit des fluides

L’une des questions philosophiques de la vie de longue date est de savoir si la lumière s’éteint dans un réfrigérateur lorsque la porte est fermée. Pour les ingénieurs procédés, une question encore plus profonde est de savoir ce que

L’une des questions philosophiques de la vie de longue date est de savoir si la lumière s’éteint dans un réfrigérateur lorsque la porte est fermée. Pour les ingénieurs de procédés, une question encore plus profonde concerne la connaissance de ce qui se passe à l’intérieur des canalisations. Comme dans le réfrigérateur, il est difficile de voir à l’intérieur et de trouver la réponse. Le comportement des fluides lorsqu’ils s’écoulent d’un endroit à l’autre a suscité beaucoup de consternation et reste encore un mystère pour beaucoup.

Il est facile d’imaginer un liquide circulant dans un tuyau sous la forme d’une colonne uniforme, mais nous savons que c’est tout le contraire. Les caractéristiques ou caractéristiques de la canalisation entraînent une plage de vitesses à travers la canalisation. La principale source est la friction. Même s’il ne semble pas y avoir beaucoup de résistance à l’écoulement, il s’agit d’une considération majeure. Même dans les tuyaux droits à intérieur lisse, le liquide le plus proche de la paroi se déplace le plus lentement car il frotte contre la paroi du tuyau. La couche suivante est ralentie par la couche la plus externe, et ainsi de suite. En conséquence, le liquide au centre du tuyau se déplace le plus rapidement (Figure 1). Il s'agit d'une description de l'écoulement laminaire, dans lequel des couches distinctes sont maintenues. Dans des conditions d'écoulement turbulent, qui se produisent à des vitesses plus élevées, les vortex et les tourbillons provoquent un mélange de ces couches lorsque le fluide descend dans le tuyau. Si nous parlons de vitesse du fluide dans un tuyau, nous décrivons une moyenne comme si elle se déplaçait comme une colonne parfaitement uniforme, mais ce n'est pas le cas.

Le flux laminaire est le plus efficace du point de vue de la perte d’énergie pure ; cependant, il ne s'agit pas d'un régime de débit qui peut être maintenu de manière réaliste dans les canalisations de procédé, car les dimensions des conduites devraient être très grandes par rapport au débit. Un écoulement turbulent est rencontré dans tous les écoulements de fluides, sauf les plus visqueux. L'écoulement turbulent résultant de vitesses d'écoulement plus élevées ne doit pas être confondu avec des perturbations d'écoulement qui ajoutent un gradient de vitesse à l'écoulement. Ceux-ci peuvent être provoqués par des configurations de tuyauterie telles que des coudes et des vannes.

Figure 1 : L'écoulement laminaire est en fait une distribution de vitesse, avec le fluide se déplaçant le plus rapidement au centre.

Les perturbations de débit sont inhérentes aux systèmes de tuyauterie en raison, entre autres, de la nécessité de changer de direction (coudes), de contrôler le débit (vannes) et de prendre des mesures (puits thermométriques). Une conception appropriée et la reconnaissance de ces perturbations sont essentielles pour garantir que le processus global répond aux attentes. Les perturbations peuvent avoir de nombreuses origines dans les canalisations :

Il existe de nombreuses équations permettant de calculer toutes sortes de valeurs liées au débit et à la tuyauterie, qui sont désormais utilisées principalement pour torturer les étudiants en ingénierie puisque les outils logiciels d'instrumentation et de modélisation gèrent désormais la plupart de ces tâches. Dans le monde réel, l’objectif est généralement de minimiser les perturbations des écoulements, ce qui signifie éviter autant que possible d’en créer des sources. Certains appareils sont particulièrement sensibles aux turbulences comme l'entrée d'une pompe centrifuge, de nombreux types de buses de pulvérisation et la plupart des types de débitmètres. La solution à tout cela consiste à nécessiter une certaine longueur de tuyau droit (souvent associé à un redresseur de débit) avant et parfois après l'appareil. Réfléchissons à la façon dont cela fonctionne.

Sans entrer dans les détails mathématiques, deux variables principales affectant les régimes d’écoulement sont le diamètre des tuyaux et la vitesse du fluide. L’aspect diamètre du tuyau n’est pas difficile à conceptualiser. À mesure que le diamètre de la colonne de liquide augmente, la complexité du profil de vitesse augmente également, c'est pourquoi les exigences relatives aux tuyaux droits sont exprimées en termes de diamètres de tuyaux.

La vitesse du fluide est également un facteur, mais elle est généralement supposée dans une large mesure. Plus le liquide se déplace lentement dans un tuyau, plus le profil d'écoulement est drastique. Encore une fois, ce n'est pas difficile à conceptualiser : un liquide en mouvement lent crée moins de turbulences, permettant une plus grande disparité entre la vitesse du fluide près de la paroi du tuyau et par rapport au centre du tuyau. La vitesse a tendance à être ignorée dans ces discussions car elle s'inscrit normalement dans les lignes directrices sur les diamètres de tuyaux requis pour gérer les volumes d'écoulement en fonction de la vitesse. Une règle générale pour les liquides exige une vitesse inférieure à 7 pieds par seconde (fps) pour les tuyaux de taille moyenne. Les diamètres plus petits, tels que moins de 1 pouce de diamètre, nécessitent une vitesse plus faible.