Brevet FR2590629A1 — publié le 19870529

Dispositif de dissipation de l'énergie d'un écoulement liquide à surface libre, barrage et boucle d'essais hydrauliques utilisant ce dispositif La présente invention concerne la dissipation de l'énergie d'un écoulement liquide à surface libre. Un dispositif de dissipation est par exemple souhaitable pour dissiper l'énergie de l'écoulement qui se forme en cas de crue dans l'évacuateur de crues d'un barrage hydraulique de grande ou de moyenne hauteur. Cet écoulement présente alors, au bas de cet évacuateur, une énergie considérable et susceptible de provoquer des dégâts. C'est pourquoi il est habituellement reçu dans un bassin de dissipation d'énergie. La norme couramment admise en génie civil pour réaliser un bassin de dissipation de l'énergie d'un écoulement à grande vitesse est que le rapport de l'énergie à dissiper au volume du bassin doit être de 10 KW/m3 environ. Ceci peut conduire à des bassins très coûteux et encombrants. Par ailleurs dans certains cas ces écoulements à surface libre ont des vitesses très importantes, jusqu'à 50 m/s, qui peuvent provoquer des phénomènes de cavitation sur les radiers, et détruire ainsi les ouvrages. Il n'a encore pas été trouvé de disposition satisfaisante pour éviter ce phénomène. Dans d'autres situations, il est nécessaire de dissiper de l'énergie hydraulique sans bruit et sans exhaussement significatif de la surface libre et sans introduction de bulles d'air dans ltécoulemement. Tel est le cas de certaines boucles d'essais hydrauliques. Un dispositif de dissipation d'énergie connu est représenté en perspective sur la figure 1 avec coupe par un plan longitudinal vertical. Il est situé au bas de l'évacuateur de crue 100 d'un barrage. Il présente la forme d'un bassin 102 formé entre des rives 104. Ce bassin est muni à son entrée et à sa sortie d'une succession transversale de plots d'entrée 106 et de sortie 108, de faible hauteur par rapport aux rives 104 et séparés par des intervalles. Ces plots créent dans le bassin des tourbillons d'axes notamment horizontaux transversaux, et de grandes dimensions. Ces tourbillons dissipent l'énergie de l'écoulement dans le bassin, c'est-à-dire qu'ils transforment l'énergie mécanique de cet écoulement en chaleur. Cette disposition présente non seulement l'inconvénient de nécessiter un grand volume de bassin, comme précisé numériquement ci-dessus, mais aussi, dans le cas d'une boucle d'essai, celui de faire du bruit et d'introduire des bulles d'air dans l'écoulement. La présente invention a pour but d'obtenir de manière simple une dissipation d'énergie importante dans un volume diminué, sans créer de risques d'érosion par cavitation, et/ou en faisant moins de bruit, et/ou en évitant d'introduire des bulles d'air dans l'écoulement. Et elle a notamment pour objet un dispositif de dissipation de l'énergie d'un écoulement liquide à surface libre, ce dispositif présentant la forme d'un canal qui stétend d'amont en aval selon une direction longitudinale au-dessus d'un fond (F) et entre deux rives (R), ce dispositif comportant une section d'entrée (2) pour recevoir un écoulement liquide d'entrée de grande énergie mécanique, et une section de sortie (4) pour restituer un écoulement de sortie de même débit mais d'énergie mécanique diminuée, - ce dispositif comportant une succession transversale de saillies qui s'élèvent à partir dudit fond et qui sont réparties sur la largeur dudit canal, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que lesdites saillies en succession transversale présentant la forme de lames verticales (L) qui s'étendent longitudinalement de ladite section d'entrée (2) à ladite section de sortie (4) et qui présentent sur uné partie au moins de leur longueur une hauteur suffisante pour que leur bord supérieur (B) ne soit pas sensiblement au-dessous de la surface libre dudit écoulement, ces lames laissant entre elles des couloirs d'écoulement (C) dont les parois sont constituées par les faces latérales (6) de ces lames, de manière que l'écoulement se ralentisse par frottement sur ces parois. (C'est seulement à titre d'exemple que les signes de références entre parenthèses renvoient aux figures ci-jointes). Les lames selon l'invention ont un mode d'action très différent de celui des saillies du dispositif connu précédemment décrit à l'aide de la figure 1. Ces saillies avaient en effet pour but de dévier certains des filets d'eau pour organiser des tourbillons, alors que les lames selon l'invention ralentissent les filets d'eau sans les dévier de manière sensible. Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux ou nécessaire d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particulières suivantes - Lesdites lames (L) présentent continûment ladite hauteur suffisante sur une partie majoritaire de leur longueur de manière qu'une partie majoritaire de l'énergie de l'écoulement se dissipe par frottement sur lesdites parois (6). - Lesdites lames (L) présentent continûment sur une partie majoritaire de leur longueur une hauteur supérieure à la moitié de celle desdites rives (R). - Lesdits couloirs (C) présentent des largeurs qui donnent à l'écoule- ment dans ces couloirs un caractère au moins partiellement turbulent, de manière à permettre le passage dudit débit avec un nombre limité de lames (L) de hauteur limitées. - La largeur desdits couloirs (C) est comprise entre une fois et 30 fois l'épaisseur desdites lames (L) sur une portion majoritaire de la longueur de ces couloirs. - La largeur desdits couloirs (C) est inférieure au tiers de la hauteur desdites lames (L) sur une portion majoritaire de la longueur de ces couloirs. Dans le cas où les lames présentent sur toute leur longueur une hauteur égale à celle d'un écoulement d'eau et une rugosité de surface optimale et laissent entre elles des couloirs de largeur optimale, on peut obtenir ainsi sur une longueur de 20 m le passage d'un régime d'écoulement dit torrentiel de vitesse 33 m/s et de hauteur initiale 0,90 m à un régime dit fluvial, de vitesse 4,7 m/s et de hauteur 4 m 33, sans faire apparaitre le ressaut qui accompagne normalement un tel passage, et en dissipant une puissance de 530 KW par m3 du dispositif. Il faut pour cela une largeur de couloir b = 0,10 m et un coefficient de rugosité de Strickler k = 75. - Le nombre desdites lames (L) est compris entre 3 et 1000. - Le bord amont (8) desdites lames (L) s'élève progressivement vers l'aval par rapport au fond (F) dudit canal jusqu'à ce que ces lames atteignent ladite hauteur suffisante, de manière à minimiser la formation de tourbillons ou de poches de cavitation au voisinage de ce bord. Cette dernière disposition est particulièrement utile dans le cas où l'écoulement dont l'énergie doit être dissipée est constitué d'une eau qui a circulé dans la nature et où cet écoulement peut donc charrier des corps flottants. Par ailleurs ce bord amont est de préférence profilé pour éviter la cavitation. - Lesdites lames (L) divergent vers l'aval de manière à augmenter la largeur desdits couloirs (C) au fur et à mesure que la vitesse de l'écoulement diminue. Cette dernière disposition permet d'éviter ou de limiter l'élévation du niveau du liquide. - Certaines desdites lames (L") sont des lames de longueur diminuée qui s'étendent seulement sur une partie aval de la longueur du dispositif et qui sont interposées entre des lames divergente (L') de longueur complète qui s'étendent sur toute la longueur du dispositif. La présente invention a également pour objet un barrage hydraulique comportant un mur de barrage (10), un évacuateur de crue (12) s'étendant en forte pente du haut du haut au bas de ce mur de barrage, et un dispositif de dissipation d'énergie au bas de cet évacuateur. Ce barrage est caractérisé par le fait que ce dispositif de dissipation d'énergie (D) est un dispositif du type précédemment décrit, de manière à limiter ses dimensions. De préférence le bord amont des lames de ce dispositif s'élève progressivement comme précédemment indiqué de manière qu'un corps flottant de dimensions supérieures à la largeur desdits couloirs (C) puisse être entraîné vers l'aval en passant au-dessus desdites lames (L). La présente invention a encore pour objet une boucle d'essais hydrodynamiques présentant la forme d'un circuit fermé de circulation continue de liquide et comportant - un tronçon dressai (20) pour que ce liquide y forme un écoulement d'essai uniforme (ES) de grande vitesse à surface libre, - un couteau horizontal immergé (22) pour séparer cet écoulement d'essai en une partie inférieure majoritaire et une partie supérieure minoritaire de manière que cette partie majoritaire constitue un écoulement majoritaire en charge à faible pression (EP) qui conserve ladite grande vitesse sans formation de turbulences gênantes, ladite partie supérieure minoritaire constituant un écoulement minoritaire (EA) à surface libre et à grande vitesse, - un divergent (27) pour recevoir cet écoulement majoritaire à grande vitesse et le transformer en un écoulement majoritaire à faible vitesse et à forte pression (EQ) de manière que cet écoulement puisse recevoir de l'énergie d'une pompe sans formation de turbulences gênantes, - un dispositif de dissipation d'énergie pour recevoir ledit écoulement minoritaire à surface libre et à grande vitesse (EA) et le transformer en un écoulement minoritaire à surface libre et à faible vitesse (EB) susceptible d'être remis en charge sans turbulence sensible, - un tronçon de mise en charge (26) pour recevoir cet écoulement minoritaire à surface libre et à faible vitesse et pour le transformer en un écoulement minoritaire en charge et à faible vitesse et à faible pression (EC), - une pompe de repressurisation à faible débit (28) pour recevoir cet écoulement minoritaire en charge à faible vitesse et à faible pression et pour le transformer en un écoulement minoritaire à faible vitesse et à forte pression (ED), - un tronçon de jonction (30) pour réunir cet écoulement minoritaire à faible vitesse et à forte pression (ED) audit écoulement majoritaire à faible vitesse et à forte pression (EQ) et pour former ainsi un écoulement total à faible vitesse et à forte pression (ET), - une pompe de circulation à grand débit (32) pour recevoir cet écoulement total à faible vitesse et à forte pression (ET) et pour lui donner le complément d'énergie nécessaire à l'entretien de la circulation du liquide dans ledit circuit fermé, - et un convergent (34) pour recevoir ledit écoulement total (ET) sortant de cette pompe de circulation et reformer ledit écoulement d'essai (ES), - cette boucle étant caractérisé par le fait que ledit dispositif de dissipation d'énergie (24) est un dispositif du type précédemment décrit de manière que l'énergie soit dissipée par frottement sur les lames (M) de ce dispositif sans création d'ébranlements mécaniques transmissibles audit tronçon d'essai (20). Les lames de ce dispositif sont de préférence divergentes comme précédemment indiqué, de manière que la hauteur de liquide soit sensiblement invariable sur la longueur de ce dispositif. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Rappelons que la figure 1 représente une vue en perspective avec coupe d'un dispositif de dissipation d'énergie connu applicable à un barrage hydraulique. La figure 2 représente une vue en coupe d'un barrage hydraulique selon l'invention équipé notamment d'un premier dispositif de dissipation d'énergie également selon l'invention. Les figures 3 et 4 représentent des vues respectivement de côté et de dessus de ce premier dispositif de dissipation d'énergie, à échelle agrandie. La figure 5 représente une vue en perspective d'un deuxième dispositif de dissipation d'énergie selon l'invention et destiné au même usage que le premier. La figure 6 représente une vue de dessus d'une boucle d'essais hydrodynamiques selon l'invention utilisant un troisième dispositif de dissipation d'énergie également selon l'invention. Les figures 7 et 8 représentent respectivement des vues de côté et de dessus à échelle agrandie de ce troisième dispositif. Le premier dispositif de dissipation d'énergie D selon l'invention présente l'ensemble des dispositions avantageuses précédemment indiquées, sauf que toutes ses lames L sont de même longueurs. Il est disposé, comme représenté sur la figure 2 au bas de l'éva- cuateur de crue 12 d'un barrage dont le mur est représenté en 10. Cet évacuateur de crue présente la forme d'un canal à forte pente avec un fond 14 et des rives 16 qui sont en continuité avec le fond F et les rives R du dispositif D. En cas de crue de l'eau au dessus du barrage, l'écoulement dans ce canal est du type torrentiel. Il se transforme dans le dispositif D en un écoulement du type fluvial qui s'engage dans une rivière de sortie 18 dans laquelle sa vitesse modérée ne peut provoquer de dégâts. Le nombre de lames est ici de trois. Le bord amont 8 de ces lames s'élève à partir du fond en faisant avec celui-ci un angle compris entre 15 et 45 degrés, par exemple 30 degrés environ. De un à quatre ralentisseurs d'écoulement E, par exemple deux, peuvent être répartis sur la pente de l'évacuateur de crue 12 et constituer eux aussi des dispositifs selon l'invention. Ils peuvent etre par exemple semblables au dispositif D. Le deuxième dispositif de dissipation d'énergie D' selon l'invention est représenté sur la figure 5 et peut remplacer le premier. Il en diffère par le fait qu'il comporte, dans sa partie aval élargie de longueur 10 mètres, des lames supplémentaires de longueur diminuées L" qui sont disposées chacune entre la partie aval de deux lames de longueur complète L' s'étendant sur toute la longueur du dispositif soit 25 mètres. La hauteur des lames croit régulièrement de 0,95 m, à l'extrémité aval du bord amont 8, jusqu'à 4,35 m, dans la section de sortie. Les lames présentent toutes la même hauteur dans chaque section transversale. Elles sont constituées de béton et solidarisées par des traverses transversales telles que 19. La largeur des couloirs C' varie de 0,10 m à l'entrée du dispositif à 0,12 m l'extrémité amont des lames supplémentaires L", ou elle tombe à 0,05 m pour remonter à 0,074 m dans la section de sortie. Sur la figure le bord amont incliné des lames L' est représentée en 8' leur bord supérieur en B', une de leur faces latérales en 6', et une rive en R'. La boucle d'essai selon l'invention représentée sur la figure 6 correspond à la description précédemment donnée. Une maquette à essayer 21 est immergée dans l'écoulement d'essai ES pour étudier les phénomènes de cavitation susceptibles d'apparaitre sur sa surface. La vitesse de cet écoulement est par exemple de 12 m/s. Les divers écoulements précédemment mentionnés sont représentés par des flèches qui portent les signes de référence affectés à ces écoulements. Divers problèmes qui se posent pour la réalisation de ce type de boucle d'essais proviennent du fait que l'écoulement d'essai doit être à la fois à surface libre, très rapide, très uniforme et dépourvu de bulles d'air mêmes petites. Il doit de plus ne pas être parcouru par des ondes mécaniques c'est-à-dire qu'il faut éviter tout bruit se propageant dans cet écoulement. Pour éviter l'introduction de tels bruits par la pompe de circulation 32 qui donne l'énergie nécessaire à la circulation de l'eau, il est bon que cette pompe soit disposée dans un écoulement à faible vitesse, donc à forte pression pour ne pas gaspiller d'énergie, donc en charge, c'est-à-dire sans contact avec l'atmosphère.Or le passage d'un écoulement à surface libre à grande vitesse à un écoulement en charge qui doit être initialement lui aussi à grande vitesse s'accompagne normalement de turbulences violentes qui créent des bruits et introduisent des bulles d'air dans l'écoulement. C'est pourquoi il est connu de mettre en charge une fraction aussi grande que possible de l'écoulement d'essai à l'aide d'un couteau qui est immergé, comme précédemment mentionné, pour éviter les instabilités liées au contact avec l'atmosphère. Ce couteau est constitué d'acier. La fraction du débit qui passe au dessus de ce couteau et qui reste à surface libre est suffisamment petite pour que son énergie puisse être perdue sans inconvénient grave. La dissipation de son énergie, c'est-à-dire son ralentissement, est nécessaire pour permettre de mettre cette fraction en charge sans créer de bruit ni introduire de bulles d'air. Sa pression peut alors être élevée sans bruit par la pompe de repressurisation 28. Le dispositif 24 selon l'invention permet de réaliser la dissipation d'énergie en question de manière douce et progressive, sans tourbillons et sans turbulences sensibles, donc sans bruit et sans bulles. La surface libre peut être pratiquement horizontale. Les lames M sont constituées d'acier. Le tronçon de mise en charge 26 précédemment mentionné présente la forme d'une cuve alimentée par la sortie du dispositif de dissipation d'énergie 24. Cette cuve est traversée par une tubulure 25 transportant l'écoulement majoritaire à grande vitesse EP et passant sous le fond du dispositif 24. Ledit écoulement minoritaire en charge à faible vitesse est prélevé au fond de cette cuve. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de dissipation de l'énergie d'un écoulement liquide à surface libre, ce dispositif présentant la forme d'un canal qui s'étend d'amont en aval selon une direction longitudinale au-dessus d'un fond (F) et entre deux rives (R), ce dispositif comportant une section d'entrée (2) pour recevoir un écoulement liquide d'entrée de grande énergie mécanique, et une section de sortie (4) pour restituer un écoulement de sortie de même débit mais d'énergie mécanique diminuée, - ce dispositif comportant une succession transversale de saillies qui s'élèvent à partir dudit fond et qui sont réparties sur la largeur dudit canal, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que lesdites saillies en succession transversale présentant la forme de lames verticales (L) qui s'étendent longitudinalement de ladite section d'entrée (2) à ladite section de sortie (4) et qui présentent sur une partie au moins de leur longueur une hauteur suffisante pour que leur bord supérieur (B) ne soit pas sensiblement au-dessous de la surface libre dudit écoulement, ces lames laissant entre elles des couloirs d'écoulement (C) dont les parois sont constituées par les faces latérales (6) de ces lames, de manière que l'écoulement se ralentisse par frottement sur ces parois. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdites lames (L) présentent continûment ladite hauteur suffisante sur une partie majoritaire de leur longueur de manière qu'une partie majoritaire de l'énergie de l'écoulement se dissipe par frottement sur lesdites parois (6). 3/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que lesdites lames (L) présentent continûment sur une partie majoritaire de leur longueur une hauteur supérieure à la moitié de celle desdites rives (R). 4/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits couloirs (C) présentent des largeurs qui donnent å l'écoulement dans ces couloirs un caractère au moins partiellement turbulent, de manière à permettre le passage dudit débit avec un nombre limité de lames (L) de hauteur limitées. 5/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la largeur desdits couloirs (C) est comprise entre une fois et 30 fois l'épaisseur desdites lames (L) sur une portion majoritaire de la longueur de ces couloirs. 6/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la largeur desdits couloirs (C) est inférieure au tiers de la hauteur desdites lames (L) sur une portion majoritaire de la longueur de ces couloirs. 7/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le nombre desdites lames (L) est compris entre 3 et 1000. 8/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le bord amont (8) desdites lames (L) s'élève progressivement vers l'aval par rapport au fond (F) dudit canal jusqu'à ce que ces lames atteignant ladite hauteur suffisante, de manière à minimiser la formation de tourbillons ou de poches de cavitation au voisinage de ce bord. 9/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdites lames (L) divergent vers l'aval de manière à augmenter la largeur desdits couloirs (C) au fur et à mesure que la vitesse de l'écoulement diminue. 10/ Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que certaines desdites lames (L't) sont des lames de longueur diminuée qui s'étendent seulement sur une partie aval de la longueur du dispositif et qui sont interposées entre des lames (L') de longueur complète qui s'étendent sur toute la longueur du dispositif. 11/ Barrage hydraulique comportant un mur de barrage (10) et un évacuateur de crue s'étendant en forte pente du haut au bas de ce mur de barrage, et un dispositif de dissipation d'énergie au bas de cet évacuateur, ce barrage étant caractérisé par le fait que ce dispositif de dissipation d'énergie est un dispositif selon la revendication 1 de manière à limiter ses dimensions. 12/ Barrage selon la revendication 11 caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif (D) selon la revendication 8 au bas dudit évacuateur de crue (12) de manière qu'un corps flottant de dimensions supérieures à la largeur desdits couloirs (C) puisse être entraîné vers l'aval en passant au-dessus desdite lames (L). 13/ Boucle d'essais hydrodynamiques présentant la forme d'un circuit fermé de circulation continue de liquide et comportant - un tronçon d'essai (20) pour que ce liquide y forme un écoulement d'essai uniforme (ES) de grande vitesse à surface libre, - un couteau horizontal immergé (22) pour séparer cet écoulement d'essai en une partie inférieure majoritaire et une partie supérieure minoritaire de manière que cette partie majoritaire constitue un écoulement majoritaire en charge à faible pression (EP) qui conserve ladite grande vitesse sans formation de turbulences gênantes, ladite partie superieure minoritaire constituant un écoulement minoritaire (EA) à surface libre et à grande vitesse, - un divergent (27) pour recevoir cet écoulement majoritaire à grande vitesse et le transformer en un écoulement majoritaire à faible vitesse et à forte pression (EQ) de manière que cet écoulement puisse recevoir de l'énergie d'une pompe sans formation de turbulences gênantes, - un dispositif de dissipation d'énergie pour recevoir ledit écoulement minoritaire à surface libre et à grande vitesse (EA) et le transformer en un écoulement minoritaire à surface libre et à faible vitesse (EB) susceptible d'être remis en charge sans turbulence sensible, - un tronçon de mise en charge (26) pour recevoir cet écoulement minoritaire à surface libre et à faible vitesse et pour le transformer en un écoulement minoritaire en charge et à faible vitesse et à faible pression (EC), - une pompe de repressurisation à faible débit (28) pour recevoir cet écoulement minoritaire en charge à faible vitesse et à faible pression et pour le transformer en un écoulement minoritaire à faible vitesse et à forte pression (ED), - un tronçon de jonction (30) pour réunir cet écoulement minoritaire à faible vitesse et à forte pression (ED) audit écoulement majoritaire à faible vitesse et à forte pression (EQ) et pour former ainsi un écoulement total à faible vitesse et à forte pression (ET), - une pompe de circulation à grand débit (32) pour recevoir cet écoulement total à faible vitesse et à forte pression (ET) et pour lui donner le complément d'énergie nécessaire à l'entretien de la circulation un liquide dans ledit circuit fermé, - et un convergent (34) pour recevoir ledit écoulement total (ET) sortant de cette pompe de circulation et reformer ledit écoulement d'essai (ES), - cette boucle étant caractérisé par le fait que ledit dispositif de dissipation d'énergie (24) est un dispositif selon la revendication 1 de manière que l'énergie soit dissipée par frottement sur les lames (M) de ce dispositif sans création d'ébranlements mécaniques transmissibles audit tronçon d'essai (20). 14/ Boucle d'essais selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ledit dispositif de dissipation d'énergie (24) est un dispositif à lames divergentes selon la revendication 9 de manière que la hauteur de liquide soit sensiblement invariable sur la longueur de ce dispositif.