Mécanique des fluides - CANDU Owners Group

1 Notions de base en science et sur les r acteurs M canique des fluides Planification des politiques et apprentissage M canique des fluides Notions de base en science et sur les r acteurs M canique des fluides Planification des politiques et apprentissage Page i TABLE DES MATI RES 1 OBJECTIFS .. 1 D FINITIONS DE 1 1 1 NERGIE DANS UN FLUIDE EN 1 AUTRES PH NOM 2 COULEMENT BIPHAS .. 2 VIBRATIONS INDUITES PAR L 3 2 D FINITIONS DE BASE .. 4 4 4 MASSE 5 VISCOSIT .. 5 3 8 CHELLES DE 8 Exemple 8 Exemple 9 Exemple 10 PRESSION DIFF 10 Exemple 10 Exemple 11 FACTEURS INFLUANT SUR la pression DES 11 4 15 COULEMENT LAMINAIRE ET COULEMENT 15 D BIT MASSIQUE ET VOLUM 16 LE PRINCIPE DE CONTINUIT.

2 18 Exemple 18 Exemple 19 EFFET DE la pression ET DE LA TEMP 20 5 L NERGIE DANS UN FLUIDE EN COULEMENT .. 22 NERGIE, PRESSION ET CHARGE D UN FLUIDE EN COULEMENT. 22 Exemple 25 PERTES D NERGIE ET DE 26 LIQUIDE EN COULEMENT : CONSERVATION DE L 27 VARIATION DE PRESSION/VITESSE DANS UN CIRCUIT DE FLUIDE28 6 AUTRES PH NOM NES .. 35 35 BOUCLE D TANCH IT .. 37 FLOTTABILIT .. 37 7 COULEMENT BIPHAS .. 40 Notions de base en science et sur les r acteurs M canique des fluides Planification des politiques et apprentissage Page ii 41 COUP DE B 43 COUP DE B LIER INDUIT PAR LA 45 R DUCTION DES COUPS DE B LIER (EAU OU VAPEUR) .. 47 FONCTIONNEMENT EN PHASE LIQUIDE 48 8 VIBRATIONS INDUITES PAR L 50 9 R SUM .. 53 10 QUESTIONS POUR LE TRAVAIL PRATIQUE.

3 55 M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 1 1 OBJECTIFS D finitions de base D finir les termes suivants et indiquer les unit s de mesure correspondantes : pression, masse volumique, viscosit . Pression Convertir une valeur de pression donn e exprim e selon l chelle absolue, manom trique ou vacuom trique dans la valeur appropri e de l une ou l autre des deux autres chelles. D terminer la diff rence de pression agissant sur une superficie donn e et calculer la force produite. noncer les facteurs qui influent sur la pression des liquides et des gaz. coulement D crire la diff rence entre l coulement laminaire et l coulement turbulent, en termes de profil de vitesse et de pulsations. D finir les d bits massique et volum trique. noncer la relation entre le d bit massique et le d bit volum trique. noncer le principe de continuit et l appliquer pour d terminer le changement de la vitesse d un fluide.

4 Expliquer l effet de la pression et de la temp rature sur le d bit volum trique des liquides et des gaz. nergie dans un fluide en coulement D finir les termes suivants, dans le contexte d un syst me contenant un liquide en coulement : a) hauteur d l vation, hauteur de pression et charge dynamique; b) pression statique, pression dynamique et pression totale; c) perte d nergie et perte de charge. noncer l effet de la viscosit et de la vitesse d un fluide sur la perte de charge, dans un coulement turbulent. M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 2 noncer l effet de la temp rature sur la viscosit des liquides. Expliquer la relation entre la hauteur d l vation, la hauteur de pression et la charge dynamique dans un circuit de fluide avec pertes et ajouts d nergie. Dans un circuit de fluide simple compos d une tuyauterie d une hauteur et d un diam tre constants ou variables et d une combinaison de coudes, d orifices, de venturis, de soupapes, de r servoirs et d un m canisme de d placement du fluide (p.

5 Ex., une pompe), d terminer la direction des changements de pression et de vitesse dans le syst me, et expliquer la raison de ces changements. Autres ph nom nes D crire les termes suivants : siphon, boucle d tanch it , flottabilit . Expliquer les effets n gatifs de l accumulation de gaz ou de vapeur dans un siphon. coulement biphas D finir l coulement biphas . D crire les diff rentes formes d coulement biphas . Donner des exemples des diff rentes formes d coulement biphas dans une centrale CANDU . D finir le terme cavitation. Expliquer comment la cavitation peut se produire dans un circuit de fluide. Expliquer comment chacune des situations pr c dentes peut produire des mont es de pression importantes dans un circuit de fluide : coup de b lier, coup de b lier induit par la vapeur, fonctionnement en phase liquide seulement. Expliquer comment les pratiques d exploitation suivantes r duisent le risque de coup de b lier induit par l eau ou de coup de b lier induit par la vapeur : a) purge du circuit de vapeur ou de gaz; b) ventilation et amor age lent d un circuit de liquide; c) ouverture/fermeture lente des soupapes; M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 3 d) d marrage ou arr t d une pompe centrifuge quand sa soupape de refoulement est ferm e ou peine entrouverte; e) d lai entre les d marrages et les arr ts des pompes; f) application d eau de refroidissement aux changeurs de chaleur en premier.

6 Vibrations induites par l coulement Expliquer comment un fluide en d placement peut provoquer des vibrations dans l quipement. M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 4 2 D FINITIONS DE BASE Introduction Les circuits de fluide constituent l pine dorsale des centrales nucl aires, dont les centrales CANDU . Dans ce cours, nous utiliserons le terme fluide dans son sens g n rique pour d signer tant les liquides que les gaz. Les circuits de fluide sont utilis s surtout comme circuits caloporteurs, c est- -dire qu ils servent transporter la chaleur. Ce serait le cas par exemple du syst me de refroidissement d un stator de g n ratrice. La chaleur produite dans les spires du stator est transf r e au syst me de refroidissement du stator en circuit ferm , puis l eau de service basse pression. Ce module vous aidera comprendre les m canismes en jeu dans les pi ces et les dispositifs qui composent un circuit de fluide, ainsi que dans l ensemble du syst me.

7 Dans ce module, nous pr senterons les termes, les concepts et les principes de base de la m canique des fluides , et nous les appliquerons divers processus fluidiques dans une centrale nucl aire. Pression la pression est l une des propri t s de base de tout fluide. la pression (p) est la force (F) exerc e sur un fluide ou par un fluide sur une unit de surface (A). Cela s exprime math matiquement comme suit : AFp= L unit de base de la pression est le pascal (Pa). Si un fluide exerce une force de 1 N sur une surface de 1 m2 , la pression produite est gale un pascal, -d. 1 Pa = 1 N/m2. Le pascal est une unit tr s petite. Dans les applications types dans une centrale, nous utilisons des unit s plus grandes, savoir : 1 kilopascal (kPa) = 103 Pa, 1 m gapascal (MPa) = 106 Pa = 103 kPa. M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 5 Masse volumique La masse volumique (parfois appel e densit ) est une autre propri t de base des fluides .

8 La masse volumique (d sign e par la lettre grecque rho ) est d finie comme tant la masse (m) d une unit de volume (V). Son unit de base est le kg/m3. Math matiquement, cela s exprime comme suit : Vm = toute fin pratique, on consid re les liquides comme tant incompressibles, -d. que la pression n a pas d effet sur leur volume et leur masse volumique. Bien que cela ne soit pas vrai dans l absolu, ces modifications sont n gligeables. Toutefois, on ne peut pas ignorer l effet de la temp rature sur la masse volumique des liquides, car les liquides se dilatent et se contractent lorsque la temp rature change. la pression et la temp rature influent toutes deux sur la masse volumique des gaz. Si on garde la temp rature constante et on augmente la pression , la masse volumique augmente. Si on garde constante la pression et on augmente la temp rature, la masse volumique diminue. Viscosit La viscosit est une autre propri t des fluides qu il faut bien comprendre pour d crire divers ph nom nes dans les quipements m caniques, comme les pertes de pression dans la tuyauterie dues au frottement ou la lubrification des roulements.

9 La viscosit est une mesure de la r sistance qu oppose le fluide l coulement, en raison de son frottement interne. On mesure la viscosit de deux fa ons : dynamique (absolue) et cin matique. Ces deux param tres sont li s entre eux, car on obtient la viscosit cin matique en divisant la viscosit dynamique par la masse volumique. Dans ce module et afin de garder les choses simples, nous parlerons uniquement de viscosit absolue quand nous expliquerons le frottement des fluides dans les circuits de tuyauterie. Par cons quent, dans le texte qui suit, quand nous parlons de viscosit , il s agit de viscosit dynamique. La viscosit dynamique (ou absolue, et d sign e par la lettre grecque mu ) est la mesure de la force tangentielle requise pour d placer un plan parall le de fluide par rapport un autre plan parall le de fluide. Plus le fluide est pais ou visqueux, plus grande est la surface de contact et plus grande est la vitesse entre les couches du fluide, et donc plus grande est cette force tangentielle.

10 M canique des fluides Notions scientifiques de base Page 6 L unit de base de la viscosit est le pascal-seconde (Pa s). La viscosit d un fluide vaut 1 Pa s si une force de 1 N est requise pour d placer un plan de 1 m2 du fluide quand le changement de vitesse entre les couches adjacentes du fluide est de 1 m/s sur 1 m. On utilise galement une unit mille fois plus petite, appel e le centipoise (cP). Pour avoir une id e de l ordre de grandeur de cette unit , disons que la viscosit de l eau 20 C est d environ 1 cP. La viscosit des liquides est beaucoup plus grande que celle des gaz ou de la vapeur. Pour tous les fluides , la viscosit augmente avec la pression . L effet de la temp rature est toutefois plus important, et il d pend du type de fluide : l augmentation de temp rature r duit la viscosit d un liquide, tandis qu elle accro t la viscosit d un gaz.