Brevet FR2536801A1 — publié le 19840601

PROCEDE ET DISPOSITIF D'HOMOGENEISATION DUN ECOULEMENT DE FLUIDE DANS UN CONDUIT. L'invention intéresse le domaine des transports de fluides en general et concerne un moyen destin a homogeneî- ser l'écoulement d'un fluide circulant dans un un conduit de telle manière qu'il ne pressente pas de distorsion notable de ses caractéristiques telles que, par exemple des distorsions de debit ou de pression, tout au long de son parcours. De tels écoulements homogènes sont tres souvent né eessaires dans les installations hydrauliques en général ou de transport de fluides liquides ou gazeux, notamment pour eviter le fonctionnement défectueux de vannes de réglage, d'organes injecteurs, dlappareils de mesure de débit, de pression d'un fluide ou de mesure en continu du pouvoir calorifique d'un gaz etc D'une manière générale, les installations ci-dessus comportent des coudes qui crient, dans-le fluide en mouse- ment, des phénomènes de décollement qui prennent naissance sur la paroi interne de petit rayon du coude, surtout lors- que celui-ci impose au fluide un changement brutal de direction. En presence de decollement du fluide, les conduits sont le siège de phénomènes instationnaires tels que des fluctuations entre les zones de haute pression et les zones de basse pression et des fluctuations de la vitesse dtécou- lement, en grandeur et en direction. En pratique, en présence d'un décollements l'écoule- ment interne se divise en deux zones : une zone saine très énergétique, et une zone perturbé, moins énergétique. Llécou- lement peut être caractérisé par la mesure des pressions d'arrêt stationnaires et par la mesure des pressions instationnaires relevées par des sondes appropriées réparties dans un plan transversal à l'écoulement.Le plan de sortie du coude, comme tout autre plan choisi en aval dans une section déterminée de lXécoulementf peut donc être caractérisé par une carte stationnaire des pressions d'arret, ainsi que par des coefficients de distorsions Ks cåracté- ristiques des hétérogénéltés de pression relevées et par des cartes des pressions instationnaires, associées à des coef ficients de distorsion Ki définis de façon analogue aux Ks ciK dessus. Pour éviter ces phénomènes perturbateurs, on adapte les traces des conduits en disposant, en amont de la zone dans laquelle le fluide transporté doit avoir un écoulement homogène, une partie rectiligne représentant une longueur égale à plusieurs fois, le diamètre du conduit. Le long de cette partie rectiligne, une certaine homogénéisation s'effectue, mais celle-ci neest suffisante que pour autant que la longueur soit relativement grandE et?ou que la turbulence du fluide, provoquée par les changements de directions an amont, soit modérée. Un autre moyen consiste à insérer dans les conduits des structures intéressant la totalité de la section inter ne, telles que des aubes profilées placées dans les coudes des conduits, mais celles-ci créent une perte de charge importante qu"il faut compenser, par exemple, par une augmentation de la section du conduit. De telles solutions sont donc d'autant plus onéreuses que les installations sont de grandes dimensions etJou réa- lisées en matériaux 11nobles11 en raison de la nature du fluide transporté. Elles sont, en outre, difficilement applicables, voire totalement inapplicables aux installations existantes dans lesquelles les structures et la géométrie des circuits sont arrêtées. Elles sont > enfin, à proscrire pour les fluides gazeux, car elles sont susceptibles de provoquer, dans certaines conditions, un phénonème de givrage conduisant à l'obstruction des conduits. L'invention a pour but de remédier-aux difficultés de l'état de la technique. Elle part de la constatation qu'il est possible, pour diminuer la valeur des coefficients de distorsion Ri et Ks mentionnés ci-dessus; de, limiter la valeur maximale des pressions de la zone saine, sans pour autant introduire de pertes de charge notables ni dégrader sensiblement les autres paramètres de l'écoulemen't, L'invention vise donc à homogénéiser l'écoulement d'un fluide circulant dans un conduit et elle est eara9téri-' sée en ce qu'elle comporte des moyens diintroduire, a un emplacement déterminé d'un conduit faisant suite à un coude générateur de turbulence, une perturbation locale de, la zone saine de l'écoulement de telle sorte que cette perturbation se propage dans le sens de ltécoulement et aune en aval une diminution de la pression maximale et par conse- quent, une limitation de la distorsion dans .le conduit, Dans une forme de réalisation preférentielle de l'in Invention, les moyens de modifier l'écoulement comportent an moins un obstacle de petites dimensions disposé transversale- ment sur la paroi interne de grand rayon du.coude générateur de décollement, à un emplacement détermine de la zone saine de l'écoulement. T.'obstacle peut être un élément structural tel qu'une plaque mince, ou palette, occupant une partie très faible de la section du conduit et dont l'une des faces est disposee transversalement à l'écoulement local, ou, encore, l'obstacle peut être formé par un jet de fluide injecté.transversalement dans le conduit. Une forme de réalisation prévoit des moyens d'ajuster l'effet produit par l'obstacle en fonction de l'un au moins des paramètres s du fluide. Selon le cas, on règle la hauteur de l'obstacle émergeant du conduit ou l'intensité du jet de fluide injecté. Avantageusement, lorsque l'obstacle est une palette, -l'extrêmité de celle-ci, dirigée vers le centre du conduit, est biseautée et forme un angle de 19 à 20 degrés avec sa face frontale. En variante, l'obstacle est ajouré. On voit déjà que l'invention apporte une solution originale au problème technique posé ; elle est, en outre, de mise en oeuvre aisée, peu onéreuse en regard des solutions antérieures. Elle s'applique aux .installations en projet qu'elle permet d'optimiser ainsi qu'aux installations -existantes quelle permet d'améliorer sans nécessiter des modifications importantes des circuits'. Dans ce qui suit, liinvention est exposée plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'exécution. La Fig. . 1 est une coupe schématique d'un conduit de fluide comportant un coude à 90 degrés. La Fig. 2 est une coupe schématique partielle d'un dispositif d'homogénéisation conforme à l'invention. La Fig. 3 est une coupe schématique partielle ,d?un conduit comportant un obstacle conforme à 11,invention' La Fig. 4 est une autre forme de réalisation de l'obstacle. Les Figs. 5 et 6 représentent schématiquement des obstacles réglables. Les Figs. 7 et 8 sont les cartes de pression rele vées pour une condition d'essai, avec ou sans palette. Dans la Fig. 1 > le conduit de fluide å section circulaire uniforme 1 comporte un coude 2 défini par un diamètre D, un centre de définition 3,, un petit rayon 4 et un grand rayon 5. Ce coude impose au fluide circulant dans le sens de la flèche F une déviation de 90 degrés de sa direction. A, grande vitesse, un décollement prend naissance au niveau de la paroi de petit rayon 4 et des turbulences,tellç que représentées en 6, se propagent en aval sur une distance de 3 à 5 fois le diamètre. L'écoulement du fluide intégrez sé par les turbulences se divise en 2 zones, une zone saine A et une zone perturbée B. Dans un plan de mesure transversal au conduit et situé à 11 intérieur de la portion de conduit intéressée par les turbulences, les pressions d'arrêt sont élevées dans la zone A et plus faibles dans la zone B. Dans la Fig. 2, le conduit comporte au moins un obstacle fixe 7 disposé dans la zone saine de 1.1 écoulement sur la paroi prolongeant la paroi de grand rayon 5 du coude 2. Dans cette figure, l'obstacle 'fixe est une plaque mince, rigide, dont la hauteur correspond à environ Dj6.et dont la face frontale 8 se présente sensiblement transversalement à l,é- coulementO La plaque 7 engendre une perturbation locale 9 de la zone saine de l'écoulement et qui se propage dans le conduit et provoque en aval une dégradation de la parte évier gétique A de la Fig. 1 dans laquelle les pressions sont normalement très élevées. La- diminution des pressions maxima- les rétablit des cartes de pressions stationnaires et instationnaires beaucoup plus homogènes. L'obstacle 7 de la Fig. 2 peut betre réalise confo,r- mément à la Fig. 3. Dans cette figure 5 désigne la paroi du conduit prolongeant la paroi de grand rayon du coude 20 L'obstacle 7, représenté an, coupe, est une palette qui comporte une face frontale 8, une face d'extrémité 9 formant avec la face frontale 8 un angle a avantageusement compris entre 10 et 20 degrés. L'angle a compris dans ces valeurs, et notamment un angle de 15 degrés, assure la formation d'un décollement, la palette comporte une face arrie- re 19 > parallèle à la face 8. La fixation de la palette est assuree par un écrou 14 monté sur l'extrémité filetée d'une tige 11 solidaire de la palette 7 et traversant la paroi 5. En variante, l'obstacle est perfo-ré comme montré en 15. Le nombre et la dimension des perforations permettent de doser l'importance de la perturbation créee. La Fig. 4 illustre un obstacle 70 formé par un jet de gaz injecté au travers de la paroi 5 du conduit. A cette fin, un injecteur 12, comportant un conduit central 13 est fixé dans un taraudage de la paroi 5 et immobilisé en position par un écrou 14. L'injecteur 12 est relié par une canali sation 16 à une réserve de gaz comprimé 17 par l'intermédiaire d'une électro-vanne 18 recevant des ordres de commande sur son entrée 19. Les ordres de commande de l'électro-vanne permettent de doser 11 intensité du jet 70 intervenant sur l'écoulement à homogénéiser. En variante, le fluide injecté dans le' conduit peut etre un liquide. En variante, Fig. 5, obstacle est réalisé sous la forme d'une palette 7 émergeant de la paroi 5 du conduit et pénétrant dans lssécoulement de manière réglable commandée à partir de mesures effectuées sur l'un des paramètres au moins de l'écoulement. La palette coulisse dans la paroi dans des glissibres appropriées non représentées, et comporte à son extrémité exterieure au conduit une crémaillère 20 engrenant avec une vis sans fin 2l entraRnée en rotation par un moteur à deux sens de marche 22 fixé sur la paroi 5. Le moteur 22 est relié a une unité de commande 23. L'unité de commande 23 est reliée à un détecteur de pression 24 installé dans le conduit et à une référence réglable et fournit un signal de commande lorsque la pression mesurée par le détecteur est significative d'un décollement de l'écoulement. Dans la Fig. 6, 18 obstacle est un volet encastré dans la paroi 5 et articulé sur un axe 25 porté par des paliers solidaires de la paroi. Le volet est muni d'un levier de commande 26 relié à l'organe mobile d'un vérin par une tige -réglable 28. Le vérin 27 peut être à commande hydraulique ou pneumatique ou être constitué par un solénotde à noyau plongeur L'obstacle est représenté en position émergente maximale et peut etre complètement escamoté pour 1U autre position extrême du vérin Dans la position escamotée, la face arrière 10 du volet 7 est en appui sur un siège lOl ménagé dans la paroi. Le demandeur a vérifié le bon fonctionnement d'un dispositif conforme à l'invention en procédant à des essais comparatifs avec une installation conforme à la Fig. 2. Pour ces essais, le conduit 1 est un tube de section cìrcu- laire dont le diamètre est D = 60 mm.-Le coude 2 est un coude 90 degrés, de petit rayon 4 égal d 60 mm. En aval du coude 2, le conduit se prolonge sur ebne longueur de 6 fois environ le diamètre D. L'écoulement du fluide est obtenu a la pression atmosphérique, par extraction de débit assurée en aval par des moyens connus comportant une trompe b induction alimentée par de l'air comprimé. L'obstacle 7 est constitué a'r une plaque sensiblement rectangulaire dont l'un des champs est appliqué à la paroi raccordée au grand rayon du coude. Ses dimensions sont : hauteur 10 mm, largeur 7,5 mm, épaisseur 1 mm. Elle est fixée d une distance de il D en aval du centre 3 de définition du coude, perpendiculairement å l'écoulement et intéresse environ 3 % de la section du conduit. Les pressions d'arrêt sont mesurées de manière connue, en aval du coude par un ensemble de 13 capteurs de type pitot, répartis sur un peigne tournant. Les mesures sont relevées tous les 5 degrés, au point fixe, successivement dans des plans de mesure situés-à des distances comprises entre 2 D et 5 D du centre de définition du coude, pour des vitesses de 100 m/s à 200 m/s. Pour illustrer le progrès technique apporté par l'in- vention, on donne ci-après, pour M = 0,3, les cartes de pressions stationnaires relevées dans un plan de mesure situé à 2 D en aval du centre de définition du coude. La Fig. 7 est le cas du conduit sans palette et la Fig 8 est le cas où le conduit comporte une palette. Les valeurs indiquées sont les rapports, multipliés par lo, des pressions d'ar rêt (Pi) a la pression génératrice (Pi ) mesurée à l'entrée du coude. Toute la zone à haut niveau de pression se trouve modifiée par la présence de la palette. Cet état de fait se traduit par un gain notable sur les coefficients de distorsion. D'une manière générale, les mesures relevées au cours des essais ci-dessus montrent que la présence de la palette a le mEme effet dthomogénéisation que celui que produirait un allongement de 2 D de la partie rectiligne du conduit faisant suite au coude générateur de décollement, alors que la perte de charge induite par cet obstacle de petites dimensions- est pratiquement négligeable. R e v e n d i c a t i o n s. i - Procédé d1homo'gé'néisation d'un écoulement de fluide circulant dans un conduit (1) comportant un coude générateur de turbulence (2), ltecoulement se divisant en une zone saine (A) très énergétique et une zone.pertur- bée (B) se développant ensemble sur une partie au moins du parcours aval du fluide qui présente alors une distorsion de pression dans le plan transversal, caractérisé en ce qu t il conslste à -réduire la distorsion en introduisant dans la zone saine de ltécoulement (A) une perturbation locale (9) qui se propage en aval avec la zone pe-rturbée 2 - Dispositif d'homogénéisation d'un, écoulement de fluide circulant dans un conduit ( comportant un coude générateur de turbulence (2), l'écoulement se présentant divisé transversalement en une zone saine (A) très énergétique et une zone perturbée (B) se développant sur une partie au moins du parcours aval du fluide et amenant une distorsion de pression dans le plan transversal, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un obstacle (7) de petites dimen sions, disposé sur la paroi interne *g conduit dans la zone saine de l'écoulement et agencé pour créer une perturbation locale (9) qui se propage en aval avec la zone perturbée. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que obstacle (7) est constitué par une -plaque mince ou palette disposée transversalement sur la paroi interne du conduit. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisée: ce que la face d1extrémité (9) et la face frontale (8) de la palette forment entre-elles un angle compris en 10 et 20 degrés. 5 - Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la palette (7) comporte des perforations (15? orientées dans le sens de lgécoulement. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'obstacle (7) est constitué par un jet de fluide (70) in jecté dans le conduit par au moins un injecteur (12? débouchant normalement à la paroi. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler l'action de l'obstacle sur le fluide én fonction d'au moins un paramètre de l'écoulement. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l"obstacl'e'(7) comporte,, en outre, une position neutre dans laquelle il est sans influence sur l'écoulement du fluide. 9 - Dispositif selon la revendication 7 -ou, la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler la hauteur de. l'obstacle (7) émergeant de la paroi du conduit. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la palette (7) coulisse dans la paroi et comporte une crémaillère (20) engrenant avec une vis sans fin (2i), entraînée par un moteur (22) å 2 sens de marche commandé par un moyen de commande (23) comportant un détecteur de pression (.24). 1 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que obstacle réglable (7) est un volet articulé sur un axe (25) porté par des paliers solidaires de la paroi et muni d'un levier de commande (26) relié par une tige réglable (28) à l'organe mobile d'un vérin (27). 12 - Dispositif selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régler l'intensité du jet de fluide injecté dans le conduit. 13 - Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comprend une source de fluide (17) et une électrovanne (18).