COURS hydraulique générale MEPA - ENGEES

1 ECOLE NATIONALE DU GENIE DE L EAU ET DE L ENVIRONNEMENT DE STRASBOURG hydraulique GENERALE R servoir d eau potable de Strasbourg FORMATION CES/MASTERE Eau potable et assainissement Jos VAZQUEZ (Laboratoire Syst mes Hydrauliques Urbains) Avant propos L hydraulique est incontournable dans le domaine de l environnement. En effet, elle a une place d terminante dans la compr hension, l analyse et le diagnostic des r seaux d adduction d eau potable, des stations de traitement, des r seaux d assainissement et des rivi res. De plus, le contr le de ces syst mes n cessite une instrumentation qui oblige le concepteur et l exploitant une connaissance pouss e du fonctionnement hydraulique de ces ouvrages.

2 D un point de vue r glementaire, la directive 2000/60/CE du Parlement europ en tablit un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l eau. Elle incite les Etats membres (dont videmment la France) prot ger et restaurer la qualit de leurs ressources en eau afin de parvenir un bon tat chimique et cologique. L eau est donc une pr occupation majeure dans notre civilisation. L objectif de cet ouvrage destin aux techniciens et ing nieurs est de fournir les bases n cessaires la compr hension et au calcul des ph nom nes pr sents en hydraulique appliqu e au g nie de l eau et de l environnement. Chaque notion d hydraulique est ponctu e par une s rie d exercices permettant d illustrer les concepts pr sent s.

3 Les exemples sont issus d ouvrages hydrauliques existant en r seau. Les techniques de calcul qui sont associ es la r solution des quations mises en uvre sont labor es dans un souci d efficacit . Cet ouvrage est compos de plusieurs chapitres qui sont d crits dans les paragraphes suivants. Avant d entrer directement dans la description math matique et la quantification des ph nom nes hydrauliques rencontr s en eau potable, en assainissement et en rivi re, le premier chapitre est consacr la description physique et ph nom nologique des diff rents types d coulements ainsi que des forces en pr sence. Elle permet aux non-initi s de d couvrir l hydraulique de fa on qualitative par le biais de l exp rimentation.

4 Le deuxi me chapitre s int resse aux fluides au repos. Par exemple, la plupart des dispositifs de contr le de d bit tels que les vannes autor gul es n cessitent un m canisme pouvant tre approch par le biais de l hydrostatique. Cette partie est donc consacr e l action de l eau sur les parois et sur les corps immerg s. Le chapitre suivant est d di l hydraulique en charge. Ce type d coulement est le plus souvent rencontr dans les r seaux d adduction d eau potable et parfois en assainissement. Apr s un rappel des quations de Bernoulli, le paragraphe suivant s int resse aux pertes de charge lin aires et singuli res. On aborde ensuite le trac de la ligne pi zom trique et de la ligne de charge qui permettent de caract riser le fonctionnement d un r seau en terme de sur ou sous pression.

5 Un dernier sous-chapitre traite du coup de b lier avec les techniques de calcul associ es. Jos VAZQUEZ (Laboratoire Syst mes Hydrauliques Urbains) ENGEES Bibliographie AGHTM : Les stations de pompage d eau, Editions Tec et Doc (2000). BERTRAND-KRAJEWSKI , Mesures en hydrologie urbaine et assainissement, d. Tec et doc, ed. 2000. CARLIER M. : hydraulique g n rale et appliqu e, Editions Eyrolles (1972). COMOLET R., M canique exp rimentale des fluides, Masson, GRAF W. H., ALTINAKAR M. S. : Hydrodynamique : Une introduction, Trait de G nie Civil, Ecole polytechnique f d rale de Lausanne, Presse polytechnique et universitaire romanes (1995). GRAF W. H., ALTINAKAR M. S. : hydraulique fluviale : coulement permanent uniforme et non uniforme, Tome 1, Trait de G nie Civil, Ecole polytechnique f d rale de Lausanne, Presse polytechnique et universitaire romanes (1993).

6 GRAF W. H., ALTINAKAR M. S. : hydraulique fluviale : coulement non permanent et ph nom nes de transport, Tome 2, Trait de G nie Civil, Ecole polytechnique f d rale de Lausanne, Presse polytechnique et universitaire romanes (1996). HAGER W. H. : Wastewater hydraulics theory and practice, Springer, ed. 1999. LENCASTRE A. : hydraulique g n rale, Editions Eyrolles (1996). LESIEUR M. : La turbulence, Presses Universitaires de Grenoble, Ed. 1994. SCHIESTEL R. : Mod lisation et simulation des coulements turbulents, Editions Herm s (1993). SINNIGER , HAGER W. H. : Constructions hydrauliques : Ecoulements stationnaires, Trait de G nie Civil, Ecole polytechnique f d rale de Lausanne, Presse polytechnique et universitaire romanes (1989).

7 VIOLET , CHABARD , M canique des fluides appliqu e, Presses des ponts et chauss es, ed. 1998. Jos VAZQUEZ (Laboratoire Syst mes Hydrauliques Urbains) ENGEES Sommaire CHAPITRE I : CARACTERISTIQUES DES ECOULEMENTS .. 5 1. - ECOULEMENTS EN 5 - R gimes d coulements .. 5 - Distribution des vitesses dans un tuyau rectiligne .. 6 - Elargissement et r tr cissement dans une - Sortie d un r servoir .. 8 - Coude .. 8 - Jonction et bifurcation .. 9 - Obstacles dans un coulement en charge .. 9 - Le coup de b 10 2. - ECOULEMENTS A SURFACE 12 - La surface libre .. 12 - Distribution des vitesses dans un canal .. 12 - Notion d influence 13 - Courbes de remous .. 14 - Le 14 - Les seuils et d versoirs.

8 14 3. - PROPRIETES DES 16 - Masse 16 - Poids sp cifique .. 16 - Viscosit .. 16 - Pression de vapeur 18 - Tension superficielle .. 18 4. - CARACTERISATION DES FORCES DANS UN 19 - Les forces .. 19 - Importance des diff rentes forces .. 20 5. - LES EQUATIONS DE 21 6. - OUTILS 22 CHAPITRE II : HYDROSTATIQUE .. 23 1. - EQUATIONS DE L 23 2. - VARIATION DE LA PRESSION DANS UN FLUIDE 24 3. - VARIATION DE LA PRESSION DANS UN FLUIDE 26 4. - FORCES HYDROSTATIQUES SUR LES 26 - Paroi plane en position inclin e .. 27 - Paroi surface gauche .. 29 5. - FORCES HYDROSTATIQUES SUR DES CORPS 30 - Forces d Archim 30 - Equilibre des corps immerg 30 CHAPITRE III : L hydraulique EN CHARGE .. 32 1.

9 - L EQUATION DE 32 2. - EQUATIONS DE 34 - Cas des fluides parfaits .. 34 - Ecriture de Bernoulli pour les fluides r els .. 46 3. - EVALUATION DES PERTES DE 47 - Les pertes de charge lin aire .. 47 - Les pertes de charge singuli re .. 56 - Exemple de trac de perte de charge .. 62 4. - POSITION DE LA LIGNE 63 5. - LES CONSTRUCTIONS 65 6. - LE COUP DE Jos VAZQUEZ (Laboratoire Syst mes Hydrauliques Urbains) ENGEES Chapitre I : CARACTERISTIQUES DES ECOULEMENTS L hydraulique est l tude des coulements. On distingue deux types d coulements : les coulements en charge, dans lesquels l eau remplit compl tement la canalisation, c est le cas notamment des r seaux d eau potable, les coulements surface libre (interface entre l eau et l air), c est le cas des rivi res et des r seaux d assainissement.

10 1. - ECOULEMENTS EN CHARGE - R gimes d coulements Le r gime d un coulement se caract rise par la fluctuation temporelle des vitesses et des pressions au sein de la veine liquide. Exp rience : Un premier r servoir d eau de niveau constant est vidang par un tuyau. Une vanne plac e l extr mit du tuyau permet de faire varier le d bit Q (m3/s). Un deuxi me tuyau est plac l int rieur du r servoir. Il contient un colorant et permet d obtenir un mince filet fluide color au centre du tuyau. Injection d un colorant Vanne de r gulation du d bit Sens de l coulement Zone d observationR servoir Mesure de la vitesse en un point Quand la vitesse est tr s faible (quelques millim tres par seconde) le filet color reste bien d fini, rectiligne et parall le l axe du tuyau.