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coups de belier dans un reseau ramifie enterre en refoulement

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Courrier du Savoir – N°04, Juin 2003, pp. 53-58<br />

COUPS DE BELIER DANS UN RESEAU RAMIFIE<br />

ENTERRE EN REFOULEMENT<br />

B. SALAH 1 , A. KETTAB 2 , F. MASSOUH 3<br />

1. Enseignant chercheur, Laboratoire <strong>de</strong> Recherche <strong>de</strong>s sci<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> l’eau<br />

LRS-EAU, Ecole Nationale Polytechnique (E.N.P.)- Alger.<br />

2. Professeur, Laboratoire <strong>de</strong> Recherche <strong>de</strong>s sci<strong>en</strong>ces <strong>de</strong> l’Eau- LRS-EAU,<br />

Ecole Nationale Polytechnique (E.N.P.)- Alger.<br />

3. Laboratoire <strong>de</strong> Mécanique <strong>de</strong>s flui<strong>de</strong>s- L.M.F.I- E.N.S.A.M.-C.E.R. <strong>de</strong> Paris.<br />

RESUME<br />

Un aperçu bibliographique montre que le coup <strong>de</strong> bélier <strong>en</strong>g<strong>en</strong>dré <strong>dans</strong> <strong>un</strong>e conduite <strong>en</strong> charge a été toujours étudié, <strong>en</strong><br />

supposant que cette <strong>de</strong>rnière est libre (non <strong>en</strong>terrée). La pression externe exercée par le sol n’a pas été considérée, et par<br />

conséqu<strong>en</strong>t la conduite peut se déformer librem<strong>en</strong>t <strong>dans</strong> le s<strong>en</strong>s radial. Dans cette hypothèse, le calcul du coup <strong>de</strong> bélier ne<br />

nous informe pas sur la valeur susceptible d’exister réellem<strong>en</strong>t si les conduites sont soumises à la charge externe (sol).<br />

Dans ce travail, la métho<strong>de</strong> <strong>de</strong>s caractéristiques est appliquée à <strong>un</strong> réseau simple ramifié <strong>de</strong> rang 2, diverg<strong>en</strong>t libre et <strong>en</strong>terré,<br />

<strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t. Afin <strong>de</strong> montrer l’effet du sol sur le coup <strong>de</strong> bélier, le raisonnem<strong>en</strong>t s’est porté sur le cas <strong>de</strong>s conduites <strong>en</strong> acier<br />

et <strong>en</strong> PVC libres et <strong>en</strong>terrées <strong>dans</strong> <strong>un</strong> sol <strong>de</strong> caractéristiques connues. Une comparaison a été prés<strong>en</strong>tée sous forme <strong>de</strong> courbes<br />

montrant ainsi la variation <strong>dans</strong> le temps <strong>de</strong>s charges nodale et celle à la sortie <strong>de</strong> la pompe pour les <strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> matériau <strong>en</strong><br />

cas libre et <strong>en</strong>terré.<br />

Mots clés : régime transitoire- célérité- coup <strong>de</strong> bélier.- réseau ramifié.<br />

ABSTRACT<br />

The bibliographical summary shows that the water hammer g<strong>en</strong>erated in a loa<strong>de</strong>d pipe was oft<strong>en</strong> studied, supposing that this<br />

latter is free (not buried). The external pressure practised by the gro<strong>un</strong>d was not tak<strong>en</strong> into consi<strong>de</strong>ration, consequ<strong>en</strong>tly the pipe<br />

con be freely <strong>de</strong>formed in the radial s<strong>en</strong>se. In this hypothesis, the acco<strong>un</strong>t of the water hammer doesn’t in form us abont the<br />

susceptible value that really exists in the pipes are submitted to the external charge (gro<strong>un</strong>d).<br />

In this work, we apply the method of characteristics to a simple <strong>ramifie</strong>d network of rank «2» diverg<strong>en</strong>t free and buried , in<br />

suppression. In or<strong>de</strong>r to show the effect of the gro<strong>un</strong>d on the water hammer. The reasoning is on the case of steel and P.V.C.<br />

pipes free and buried in a gro<strong>un</strong>d of known characteristics. a comparison was pres<strong>en</strong>ted <strong>un</strong><strong>de</strong>r curved form showing thus the<br />

variation in time of nodale charges and those at the pump exit for the two types of material in a free and buried case.<br />

Key words : Transitory regime, celerity, water hammer, <strong>ramifie</strong>d network.<br />

1 INTRODUCTION<br />

Le fonctionnem<strong>en</strong>t d’<strong>un</strong> réseau <strong>de</strong> conduites, <strong>en</strong> régime<br />

transitoire, est caractérisé par <strong>de</strong>s pressions et vitesses<br />

variables <strong>dans</strong> le temps contrairem<strong>en</strong>t au cas du régime<br />

perman<strong>en</strong>t. Ces variations sont accompagnées par le<br />

phénomène <strong>de</strong> propagation <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s <strong>de</strong> pressions qui<br />

parcour<strong>en</strong>t le réseau p<strong>en</strong>dant <strong>un</strong> certain temps jusqu’à leur<br />

amortissem<strong>en</strong>t et l’établissem<strong>en</strong>t d’<strong>un</strong> nouveau régime<br />

perman<strong>en</strong>t. Lors du dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s conduites<br />

d’adduction, travaillant notamm<strong>en</strong>t <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t, les<br />

conduites choisies après optimisation possè<strong>de</strong>nt <strong>de</strong>s<br />

pressions <strong>de</strong> service Ps définies, et qu’on ne doit pas<br />

Université Mohamed Khi<strong>de</strong>r – Biskra, Algérie, 2003<br />

dépasser. C’est justem<strong>en</strong>t là où intervi<strong>en</strong>t le calcul du<br />

réseau, <strong>en</strong> régime transitoire pour prévoir les pressions Pt<br />

susceptibles <strong>de</strong> se produire. Si la pression totale Pt est<br />

inférieure à la pression Ps <strong>de</strong> service, il n’y a évi<strong>de</strong>mm<strong>en</strong>t<br />

pas <strong>de</strong> danger. Par contre, si le contraire s’observe, le<br />

danger existe, et l’on doit choisir <strong>en</strong>tre les <strong>de</strong>ux solutions<br />

suivantes :<br />

• Changer la classe <strong>de</strong>s conduites pour <strong>un</strong>e pression <strong>de</strong><br />

service supérieure.<br />

• Atténuer les pressions transitoires par les moy<strong>en</strong>s <strong>de</strong><br />

protection (protection anti–bélier).


Dans l’état actuel <strong>de</strong>s choses, l’étu<strong>de</strong> du régime transitoire<br />

sert à vérifier la t<strong>en</strong>ue <strong>de</strong>s conduites déjà choisies, mais il<br />

n’existe pas <strong>de</strong> métho<strong>de</strong> directe permettant le<br />

dim<strong>en</strong>sionnem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s conduites tout <strong>en</strong> t<strong>en</strong>ant compte du<br />

coup <strong>de</strong> bélier. De même, ce raisonnem<strong>en</strong>t n’a pas pris <strong>en</strong><br />

considération l’effet du sol sur les conduites <strong>en</strong>terrées.<br />

Le phénomène du coup <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> <strong>un</strong> réseau très<br />

faiblem<strong>en</strong>t ramifié, <strong>de</strong> type adduction, soit <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t,<br />

soit <strong>en</strong> gravitaire peut provoquer <strong>de</strong>s effets plus nocifs à la<br />

canalisation. Ainsi lorsqu’<strong>un</strong> coup <strong>de</strong> bélier part <strong>de</strong> la<br />

pompe, ou d’<strong>un</strong>e vanne placée à l’extrémité d’<strong>un</strong>e<br />

conduite ; il diffuse <strong>dans</strong> toutes les ramifications. A chaque<br />

nœud <strong>de</strong> ramification, l’on<strong>de</strong> trouve <strong>un</strong> volume d’eau plus<br />

grand que sur la conduite par où elle arrive.<br />

Dans cette étu<strong>de</strong>, <strong>en</strong> s’inspirant <strong>de</strong>s résultats déjà publiés<br />

[12], on contribue à l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> ce phénomène <strong>dans</strong> <strong>un</strong><br />

réseau ramifié <strong>en</strong>terré <strong>de</strong> rang «2» sous pression <strong>en</strong><br />

refoulem<strong>en</strong>t, qui est <strong>un</strong> cas simple couramm<strong>en</strong>t r<strong>en</strong>contré<br />

<strong>en</strong> pratique. Ainsi la prise <strong>en</strong> compte <strong>de</strong> la célérité <strong>de</strong><br />

propagation réelle pour chaque conduite permet <strong>de</strong><br />

r<strong>en</strong>seigner sur la vraie gran<strong>de</strong>ur du coup <strong>de</strong> bélier <strong>en</strong>g<strong>en</strong>dré,<br />

notamm<strong>en</strong>t à la première phase <strong>de</strong> la dépression, <strong>en</strong> cas<br />

d’arrêt d’<strong>un</strong>e pompe. Le raisonnem<strong>en</strong>t à partir <strong>de</strong> la valeur<br />

majorante du coup <strong>de</strong> bélier s’avère donc très intéressant,<br />

<strong>dans</strong> le cas d’<strong>un</strong> réseau <strong>en</strong>terré.<br />

L’emploi <strong>de</strong> la métho<strong>de</strong> <strong>de</strong>s caractéristiques r<strong>en</strong>d plus<br />

simple le calcul .Elle permet <strong>de</strong> r<strong>en</strong>seigner sur la courbe<br />

<strong>en</strong>veloppe <strong>de</strong> la pression, à chaque nœud du réseau, et les<br />

débits <strong>de</strong> chaque tronçon, <strong>en</strong> t<strong>en</strong>ant compte <strong>de</strong>s pertes <strong>de</strong><br />

charge. Les extrémités <strong>de</strong>s conduites, formant le réseau,<br />

serv<strong>en</strong>t <strong>de</strong> conditions aux limites connues. [1, 2, 3].<br />

2 CELERITE D’ONDE DE COUP DE<br />

BELIER DANS UNE CONDUITE<br />

ENTERREE<br />

Dans la littérature, il existe plusieurs formules pour le<br />

calcul <strong>de</strong> la célérité <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> coup <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> les<br />

conduites sous pression. Cep<strong>en</strong>dant, la majorité <strong>de</strong> ces<br />

formules sont développées avec l’hypothèse d’<strong>un</strong>e conduite<br />

à paroi simple non soumise à la pression externe [4, 5, 6, 7,<br />

8, 9, 10, 11].<br />

Dans tous les cas, la forme originale, et générale donnant la<br />

célérité <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> coup <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> <strong>un</strong>e conduite est<br />

exprimée par la relation suivante :<br />

1 ⎡ dρ<br />

= ρ. ⎢ +<br />

2<br />

c0 ⎣ ρdP<br />

dS ⎤<br />

SdP<br />

⎥<br />

⎦<br />

Celle-ci montre l’effet <strong>de</strong> la compressibilité du liqui<strong>de</strong> et <strong>de</strong><br />

la déformabilité <strong>de</strong> la conduite respectivem<strong>en</strong>t par les<br />

termes dρ / (ρdP) et dS / (SdP).<br />

Dans ses travaux <strong>de</strong> recherche, B. SALAH [12] détermine<br />

(1)<br />

54<br />

B. Salah & al.<br />

cette déformabilité pour le cas d’<strong>un</strong>e conduite à multi parois<br />

<strong>en</strong>terrée (blindage, béton, sol), <strong>en</strong> t<strong>en</strong>ant compte <strong>de</strong>s<br />

différ<strong>en</strong>ts coeffici<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> Poisson <strong>de</strong>s matériaux formant<br />

cette conduite. Ainsi <strong>dans</strong> l’hypothèse d’<strong>un</strong>e élasticité<br />

linéaire, <strong>de</strong>s déformations longitudinales nulles, et<br />

d’épaisseur <strong>de</strong> blindage em bi<strong>en</strong> inférieure au rayon, l’auteur<br />

obti<strong>en</strong>t :<br />

dS 2da 2 2a<br />

= = ( 1−ν<br />

m )( 1−<br />

α )<br />

(2)<br />

SdP adP<br />

E e<br />

avec :<br />

Pa<br />

( 1+<br />

ν m ) a<br />

α = =<br />

(3)<br />

P<br />

Emem<br />

( 1+<br />

ν m ) a + G<br />

E<br />

c<br />

et :<br />

G=<br />

2 2<br />

2<br />

2 2<br />

Ec<br />

( 1−ν<br />

s )( 1−ν<br />

c )[ b + a ( 1−<br />

2ν<br />

c )] + Es<br />

( 1−ν<br />

c ) ( 1−<br />

2ν<br />

c )( b − a )<br />

2 2<br />

2 2<br />

Ec<br />

( b − a )( 1−ν<br />

m )( 1−ν<br />

s ) + Es<br />

( 1−ν<br />

c )( 1−ν<br />

m )[ a + b ( 1−<br />

2ν<br />

c )]<br />

(4)<br />

A l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> l’équation (1) qui, après combinaison avec les<br />

équations (2), (3) (4) et arrangem<strong>en</strong>t, on obti<strong>en</strong>t :<br />

⎡ ρ ⎛<br />

C1 = ⎢ ⎜<br />

1+<br />

K<br />

⎢⎣<br />

e ⎝<br />

2<br />

2a(<br />

1−ν<br />

) ⎞⎤<br />

m G<br />

⎟⎥<br />

( 1+<br />

ν ) aE + E e . G ⎟<br />

m c m ⎠⎥⎦<br />

e<br />

K m<br />

m<br />

m<br />

1<br />

−<br />

2<br />

C1 est <strong>un</strong>e expression originale et générale qui permet <strong>de</strong><br />

déterminer la célérité <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>dans</strong> les conduites <strong>en</strong>terrées<br />

et les galeries rocheuses [12].<br />

Dans notre cas, il s’agit d’<strong>un</strong> réseau formé <strong>de</strong> conduites<br />

simples <strong>en</strong>terrées et à paroi mince, cette expression peut<br />

être facilem<strong>en</strong>t adaptée <strong>en</strong> considérant <strong>un</strong>iquem<strong>en</strong>t la<br />

prés<strong>en</strong>ce du blindage (tôle). Ainsi, il suffit <strong>de</strong> faire t<strong>en</strong>dre b<br />

vers a <strong>dans</strong> l’expression (4) pour aboutir à :<br />

G =<br />

Ec<br />

( 1−ν<br />

s )<br />

E ( 1−ν<br />

)<br />

s<br />

m<br />

L’équation (5) <strong>de</strong>vi<strong>en</strong>t alors :<br />

2<br />

⎡ ρ ⎛ 2a(<br />

1−ν<br />

)( 1 ) ⎞⎤<br />

m −ν<br />

s<br />

c1 = ⎢ ⎜<br />

⎜1+<br />

K 2<br />

⎥<br />

⎣ ( 1 ) ( 1 ) ⎟<br />

e<br />

Ke ⎝ −ν<br />

m aEs<br />

+ Emem<br />

−ν<br />

s ⎠⎦<br />

1<br />

−<br />

2<br />

Dans le cas d’<strong>un</strong>e conduite <strong>en</strong> PVC, il suffit <strong>de</strong> remplacer<br />

les caractéristiques du métal par celles du PVC <strong>dans</strong><br />

l’expression (7).<br />

3 MISE EN EQUATIONS<br />

On utilise les systèmes <strong>de</strong>s équations aux caractéristiques<br />

qui vont servir comme base <strong>de</strong> calcul pour le couple<br />

(5)<br />

(6)<br />

(7)


(charge, débit) <strong>en</strong>g<strong>en</strong>drée par le régime transitoire <strong>dans</strong> le<br />

réseau considéré. On rappelle que ces systèmes sont <strong>de</strong> la<br />

forme :<br />

⎧dx<br />

= + cdt<br />

⎪<br />

⎨ c<br />

⎪<br />

dH + dQ = −i<br />

dx<br />

⎩ gS<br />

et<br />

⎧dx<br />

= −cdt<br />

⎪<br />

⎨ c<br />

⎪<br />

dH − dQ = −i<br />

dx<br />

⎩ gS<br />

. (8)<br />

. (9)<br />

L’application <strong>de</strong> ces systèmes est plus simple notamm<strong>en</strong>t<br />

lorsqu’on considère que la quantité C/(gS) est constante. On<br />

admet que la section est constante <strong>en</strong> face <strong>de</strong>s variations <strong>de</strong><br />

débits et <strong>de</strong> la côte piézomètrique. En principe, l’utilisation<br />

<strong>de</strong>s systèmes (8) et (9), permett<strong>en</strong>t la détermination du<br />

couple (H, Q) <strong>en</strong> toute section <strong>de</strong> la canalisation <strong>en</strong> partant<br />

<strong>de</strong>s conditions aux limites connues (états aux extrémités <strong>de</strong><br />

la canalisation). Les hypothèses considérées <strong>dans</strong> l’exemple<br />

(figure 1) stipul<strong>en</strong>t que :<br />

• Le nœud n’est pas m<strong>un</strong>i d’organes <strong>en</strong> dérivation.<br />

• L’<strong>un</strong>ité <strong>de</strong> temps est telle que<br />

l1<br />

l2<br />

13<br />

ln<br />

= = = ... = ∆t<br />

= 1<br />

c c c c<br />

1<br />

2<br />

3<br />

n<br />

sec<br />

• Extrémités aval <strong>de</strong>s tronçons : exist<strong>en</strong>ce <strong>de</strong>s réservoirs<br />

à plan d’eau supposé invariable.<br />

L’exemple considère le cas d’<strong>un</strong> réseau télescopique<br />

<strong>en</strong>terré, <strong>dans</strong> <strong>un</strong> sol <strong>de</strong> caractéristiques homogènes. Afin <strong>de</strong><br />

donner <strong>un</strong> s<strong>en</strong>s au calcul, (effets <strong>de</strong> la surpression et <strong>de</strong> la<br />

dépression sous l’influ<strong>en</strong>ce du sol), le réseau est considéré<br />

comme très faiblem<strong>en</strong>t ramifié, comportant <strong>un</strong> seul nœud<br />

d’aboutissem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s conduites, et sans moy<strong>en</strong> <strong>de</strong> protection<br />

(figure 1).<br />

Le réseau pris comme exemple, fonctionnant <strong>en</strong><br />

refoulem<strong>en</strong>t, est constitué <strong>de</strong> conduites <strong>de</strong> caractéristiques<br />

<strong>un</strong>iques, <strong>de</strong> même matériau, qui alim<strong>en</strong>t<strong>en</strong>t <strong>de</strong>ux réservoirs<br />

R2 et R3. Pour mieux illustrer l’exemple, et à titre<br />

comparatif, on considère le cas d’<strong>un</strong> réseau libre et <strong>en</strong>terré<br />

pour <strong>de</strong>ux natures <strong>de</strong> matériau <strong>de</strong> conduites différ<strong>en</strong>tes : le<br />

P.V.C et l’acier.<br />

55<br />

Coups <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> <strong>un</strong> réseau ramifié <strong>en</strong>terré <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t<br />

Pompe<br />

1<br />

ℵ<br />

Figure 1 : Réseau <strong>de</strong> conduites <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t.<br />

On désigne par :<br />

Hp = H1, H2 , H3 et q1, q2, q3, respectivem<strong>en</strong>t les charges et<br />

les débits connus <strong>en</strong> régime perman<strong>en</strong>t au temps (to ).<br />

HN, Q1N, Q2N, Q3N charge au nœud N et débits inconnus à<br />

l’instant (t +1) <strong>en</strong> régime transitoire, aboutissant au noeud<br />

(N).<br />

Par application <strong>de</strong>s systèmes (8) et (9), à chaque conduite,<br />

on obti<strong>en</strong>t :<br />

- Pour la première conduite<br />

c<br />

Q<br />

H<br />

1<br />

1<br />

2<br />

H N<br />

N1<br />

= 1 − 1N<br />

− 1 N1<br />

+<br />

gS1<br />

gS1<br />

c<br />

N<br />

q<br />

ℑ<br />

R Q<br />

ℜ<br />

R q<br />

+ (10)<br />

- Pour la <strong>de</strong>uxième conduite<br />

c<br />

Q<br />

H<br />

R Q<br />

2<br />

2<br />

2<br />

H N<br />

N 2 = 2 − 2N<br />

− 2 N 2 +<br />

gS2<br />

gS2<br />

c<br />

q<br />

2<br />

1 1N<br />

R q<br />

+ (11)<br />

- Pour la troisième conduite<br />

c<br />

Q<br />

H<br />

R Q<br />

3<br />

3<br />

2<br />

H N<br />

N 3 = 3 − 3N<br />

− 3 N 3 +<br />

gS3<br />

gS3<br />

c<br />

q<br />

2<br />

2 2N<br />

R q<br />

+ (12)<br />

D’autre part, on peut écrire au nœud (N) :<br />

∑ = n 3<br />

i=<br />

1<br />

2<br />

3 3N<br />

Q = 0<br />

(13)<br />

i<br />

n – étant le nombre <strong>de</strong> tronçons aboutissant au nœud «N»<br />

D’<strong>un</strong>e façon générale, on peut écrire :<br />

c<br />

c<br />

+ Rq (14)<br />

i<br />

i<br />

2<br />

H N QN<br />

= H i i − qiN<br />

− RiQNi<br />

+<br />

gSi<br />

gSi<br />

On pose, pour simplification :<br />

c<br />

i<br />

gS<br />

i<br />

= A<br />

(15)<br />

i<br />

2<br />

iN<br />

R<br />

2<br />

R


c<br />

q<br />

R q<br />

i<br />

2<br />

H i − iN + i iN =<br />

gSi<br />

où :<br />

ci=<br />

R<br />

i<br />

1+<br />

K<br />

e<br />

c<br />

/ ρ<br />

Ke<br />

Di<br />

χ<br />

E ⋅e<br />

i i<br />

2 5<br />

Di<br />

i<br />

T<br />

i<br />

(16)<br />

8λ<br />

l<br />

= (17)<br />

gπ<br />

2<br />

avec χ = 1−ν , comme mo<strong>de</strong> d’ancrage caractérisant les<br />

déformations longitudinales nulles <strong>de</strong>s conduites du réseau.<br />

Le facteur λ , qui désigne le coeffici<strong>en</strong>t <strong>de</strong> frottem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s<br />

pertes <strong>de</strong> charge linéaires, est donné par la relation<br />

suivante :<br />

1 ⎛ ε / D ⎞ i<br />

= −2log<br />

⎜<br />

⎟<br />

λ ⎝ 3,<br />

7 ⎠<br />

i<br />

(18)<br />

Les équations (15) sont <strong>de</strong>s quantités connues, on aura le<br />

système :<br />

⎧H<br />

N + Ai.<br />

Q<br />

⎪<br />

n ⎨<br />

⎪∑<br />

QNi<br />

= 0<br />

⎩ i=<br />

1<br />

N i<br />

+ R Q<br />

i<br />

2<br />

Ni<br />

= T<br />

i<br />

(19)<br />

Il n’y a pas <strong>de</strong> solution analytique, on procè<strong>de</strong> alors par<br />

itération à partir du système suivant:<br />

⎧ +<br />

⎪<br />

⎨<br />

⎪∑<br />

⎩<br />

=<br />

H N<br />

n 3<br />

Q<br />

i=<br />

1 Ni<br />

On pose :<br />

( A + R q )<br />

i<br />

= 0<br />

i<br />

Ni<br />

Q<br />

Ni<br />

= T<br />

i<br />

(20)<br />

Ai Ri qNi<br />

Wi = + (21)<br />

Ce qui donne :<br />

⎧H<br />

N<br />

⎪ + QNi<br />

=<br />

⎪ Wi<br />

⎨ n<br />

⎪ =<br />

⎪∑<br />

Q 0<br />

⎩ i=<br />

1 Ni<br />

Par conséqu<strong>en</strong>t:<br />

Ti<br />

Wi<br />

(22)<br />

56<br />

H<br />

Q<br />

n<br />

∑<br />

i<br />

N = 1<br />

n<br />

T / W<br />

∑<br />

1<br />

1<br />

W<br />

T − H<br />

i<br />

i<br />

B. Salah & al.<br />

(23)<br />

i N<br />

Ni = (24)<br />

Wi<br />

Ces équations seront résolues au moy<strong>en</strong> d’<strong>un</strong> programme à<br />

la base d’<strong>un</strong> exemple numérique simple. Les résultats sont<br />

déterminés à chaque pas <strong>de</strong> calcul ∆t = 1 secon<strong>de</strong><br />

4 DONNEES NUMERIQUES ET<br />

RESULTATS<br />

Le but recherché est <strong>de</strong> calculer et <strong>de</strong> comparer le coup <strong>de</strong><br />

bélier par application <strong>de</strong>s relations (7) et (16). Ces <strong>de</strong>ux<br />

relations donn<strong>en</strong>t respectivem<strong>en</strong>t la célérité d’on<strong>de</strong> <strong>en</strong><br />

conduite <strong>en</strong>terrée et <strong>en</strong> conduite libre. Afin d’illustrer notre<br />

raisonnem<strong>en</strong>t, la figure 1 est prise comme <strong>un</strong>e base <strong>de</strong><br />

données. Elle représ<strong>en</strong>te <strong>un</strong> réseau <strong>de</strong> rang 2 symétrique,<br />

caractérisé par les données ci-<strong>de</strong>ssous.<br />

Il s'agit <strong>de</strong> trouver la variation <strong>de</strong>s charges nodales HN et<br />

celle Hp à la sortie <strong>de</strong> la pompe, <strong>en</strong> fonction du temps, <strong>dans</strong><br />

les <strong>de</strong>ux cas <strong>de</strong> réseaux libre [13] et <strong>en</strong>terré. Une<br />

représ<strong>en</strong>tation graphique sera <strong>en</strong>suite prés<strong>en</strong>tée.<br />

On considère <strong>de</strong> ce fait :<br />

• Les propriétés du liqui<strong>de</strong> :<br />

- La masse volumique <strong>de</strong> l’eau : ρ = 10 3 Kg/m 3 .<br />

- Le module d’élasticité <strong>de</strong> l’eau : Ke = 2.10 9 Pa..<br />

Les côtes <strong>de</strong>s plans d’eau invariables <strong>de</strong>s réservoirs<br />

d’extrémité :<br />

H2 = H3 = 200 m<br />

• Les propriétés du sol :<br />

- Le module d’élasticité : Es = 2.10 8 Pa.<br />

- Le coeffici<strong>en</strong>t <strong>de</strong> Poisson : ν s = 0,33.<br />

• Données <strong>de</strong> base du réseau :<br />

Les données concern<strong>en</strong>t les conduites <strong>en</strong> acier et <strong>en</strong> P.V.C.<br />

Les rapports diamètre/épaisseur ont été choisis selon les<br />

recommandations pratiques. Les longueurs géométriques<br />

<strong>de</strong>s conduites et les célérités <strong>de</strong> propagation d’on<strong>de</strong> y<br />

correspondant, ont été choisies telles que leurs rapports,<br />

longueur/célérité, soi<strong>en</strong>t égaux. Cette hypothèse suppose<br />

que les on<strong>de</strong>s <strong>de</strong> pression arriv<strong>en</strong>t <strong>en</strong> même temps au nœud,<br />

afin d’avoir leur superposition. ( Tableau 1).


Tableau 1 : Caractéristiques du réseau <strong>de</strong> la figure 2<br />

Conduites<br />

Aci<br />

er<br />

PV<br />

C<br />

Coeff.<br />

<strong>de</strong><br />

Poisson<br />

Rugosité absolue 0,0001 mètre<br />

Déb.<br />

(l/s)<br />

Long.<br />

(m)<br />

Diam.<br />

(mm)<br />

Rap.<br />

D/e<br />

Mod.<br />

d’élast Ec<br />

(Pa)<br />

1 0,3 22 1008,56 150 100 2.10 11<br />

2 0,3 11 1035,23 100 90 2.10 11<br />

3 0,3 11 1035,23 100 90 2.10 11<br />

1 0,46 22 429,91 150 18,75 3.10 9<br />

2 0,46 11 453,46 100 16,67 3.10 9<br />

3 0,46 11 453,46 100 16,67 3.10 9<br />

Les résultats seront prés<strong>en</strong>tés sous forme <strong>de</strong> courbes qui<br />

vont permettre <strong>de</strong> connaître la variation <strong>de</strong> la charge nodale<br />

HN, et celle <strong>de</strong> la charge Hp juste à la sortie <strong>de</strong> la pompe.<br />

Ces gran<strong>de</strong>urs sont calculées <strong>en</strong> considérant l’arrêt brusque<br />

<strong>de</strong> la pompe. Dans les <strong>de</strong>ux cas <strong>de</strong> figures, on remarque que<br />

la dépression ainsi créée, plus importante au début, se voit<br />

diminuée d’int<strong>en</strong>sité au niveau du point <strong>de</strong> ramification (N).<br />

Par suite, le même phénomène s’observe à l’arrivée <strong>de</strong> ce<br />

même point <strong>dans</strong> le cas d’<strong>un</strong>e surpression. Cette atténuation<br />

d’int<strong>en</strong>sité est due d’<strong>un</strong>e part à l’effet <strong>de</strong> l’exist<strong>en</strong>ce du<br />

point N <strong>de</strong> ramification (coeffici<strong>en</strong>ts <strong>de</strong> réflexion et <strong>de</strong><br />

transmission), qui est le foyer <strong>de</strong> changem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s<br />

caractéristiques <strong>de</strong>s conduites y aboutissant, et d’autre part,<br />

à l’effet <strong>de</strong>s pertes <strong>de</strong> charge.<br />

L’atténuation <strong>de</strong> la dépression et <strong>de</strong> la surpression<br />

s’acc<strong>en</strong>tue <strong>de</strong> plus <strong>en</strong> plus <strong>dans</strong> le temps et par conséqu<strong>en</strong>t<br />

la charge <strong>en</strong>veloppe (nodale) a t<strong>en</strong>dance à s’aligner avec la<br />

charge statique. Dans le cas du réseau libre (non <strong>en</strong>terré) <strong>en</strong><br />

acier, la charge libre Hp est plus importante soit <strong>en</strong><br />

dépression ou <strong>en</strong> surpression que celle du nœud HN. Le<br />

même phénomène s'observe pour le cas du réseau <strong>en</strong>terré.<br />

L’effet du sol est faible sur les conduites rigi<strong>de</strong>s <strong>en</strong> acier<br />

caractérisées par <strong>de</strong>s célérités <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 1200 à 1300<br />

m/s. On remarque <strong>dans</strong> ce cas <strong>un</strong>e confusion <strong>de</strong>s courbes<br />

caractérisant le cas libre et <strong>en</strong>terré (figure 2).<br />

Variation <strong>de</strong>s charges Hn(i) et Hp(i)<br />

250<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

0<br />

ch. statique<br />

Hn(i) libre<br />

Hp(i) libre<br />

Hn(i) <strong>en</strong>t.<br />

Hp(i) <strong>en</strong>t.<br />

0 5 10 15 20<br />

Temps d'aller-retour <strong>de</strong> l'on<strong>de</strong> (sec.)<br />

Figure 2 : Variation comparative <strong>de</strong>s charges libres et <strong>en</strong>terrées.<br />

Cas d'<strong>un</strong>e conduite <strong>en</strong> acier<br />

57<br />

Coups <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> <strong>un</strong> réseau ramifié <strong>en</strong>terré <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t<br />

Pour le cas du réseau <strong>en</strong>terré, on remarque que les charges<br />

HN et Hp sont plus acc<strong>en</strong>tuées que leurs correspondantes<br />

<strong>dans</strong> le cas du réseau libre. Cette différ<strong>en</strong>ce, plus<br />

remarquable sur les figures 3 et 4, est due principalem<strong>en</strong>t à<br />

l’effet du sol qui t<strong>en</strong>d à accroître la rigidité <strong>de</strong>s conduites, et<br />

par conséqu<strong>en</strong>t augm<strong>en</strong>te la célérité <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />

propagation. Dans le cas du réseau <strong>en</strong> matériau <strong>de</strong> P.V.C,<br />

les mêmes remarques s’observ<strong>en</strong>t. Néanmoins, la confusion<br />

<strong>de</strong>s courbes est loin d’être constatée. Pour ce type <strong>de</strong><br />

matériau, l’effet du sol sur les conduites est très remarqué.<br />

Variation <strong>de</strong>s charges Hn(i) et Hp(i)<br />

250<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

0<br />

ch. statique<br />

Hn(i) libre<br />

Hp(i) libre<br />

Hn(i) <strong>en</strong>t.<br />

Hp(i) <strong>en</strong>t.<br />

0 5 10 15 20<br />

Temps d'aller-retour <strong>de</strong> l'on<strong>de</strong> (sec.)<br />

Figure 3 : Variation comparative <strong>de</strong>s charges libres et <strong>en</strong>terrées.<br />

Cas <strong>de</strong> la conduite <strong>en</strong> P.V.C<br />

Variation <strong>de</strong>s charges Hn(i) et Hp(i)<br />

300<br />

250<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

0<br />

Hn(i)libre<br />

Hp(i)libre<br />

Hn(i)<strong>en</strong>terrée<br />

Hp(i)<strong>en</strong>terrée<br />

Charge stat.<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />

Temps d'aller-retour <strong>de</strong> l'on<strong>de</strong>(sec.)<br />

Figure 4 : Variation comparative <strong>de</strong>s charges libres et <strong>en</strong>terrées.<br />

Cas <strong>de</strong> la conduite <strong>en</strong> acier<br />

CONCLUSION<br />

A travers la littérature, il a été montré que le coup <strong>de</strong> bélier<br />

produit <strong>dans</strong> <strong>un</strong> réseau, même faiblem<strong>en</strong>t ramifié, n’est pas<br />

aussi nocif, comparativem<strong>en</strong>t à celui produit <strong>dans</strong> <strong>un</strong>e<br />

conduite <strong>un</strong>ique. Cette constatation a été faite, <strong>en</strong><br />

considérant par hypothèse, que les conduites sont libres<br />

(non <strong>en</strong>terrées). Dans ce chapitre, par application <strong>de</strong> la<br />

métho<strong>de</strong> <strong>de</strong>s caractéristiques, on a déterminé les charges<br />

nodales et celle à la sortie <strong>de</strong> la pompe.<br />

Le calcul a été fait pour les conduites <strong>en</strong> acier et <strong>en</strong> P.V.C.<br />

supposées libres et <strong>en</strong>terrées. Il a été constaté que <strong>dans</strong> les<br />

<strong>de</strong>ux types <strong>de</strong> conduites, se comportant comme rigi<strong>de</strong>s <strong>un</strong>e<br />

fois <strong>en</strong>terrées, la célérité d’on<strong>de</strong> est plus importante. Celleci<br />

est plus remarquable, <strong>en</strong> pourc<strong>en</strong>tage d’augm<strong>en</strong>tation,<br />

<strong>dans</strong> le cas <strong>de</strong> la conduite <strong>en</strong> P.V.C. Ainsi la valeur du coup


<strong>de</strong> bélier résultante, et par conséqu<strong>en</strong>t la pression totale<br />

régnant <strong>dans</strong> la conduite peut être transmise d’<strong>un</strong>e façon<br />

non négligeable à travers le nœud vers les conduites<br />

ant<strong>en</strong>nes.<br />

En conséqu<strong>en</strong>ce, il est intéressant <strong>de</strong> conclure que pour les<br />

réseaux, tout dép<strong>en</strong>d du <strong>de</strong>gré <strong>de</strong> ramification et <strong>de</strong> la<br />

configuration. Ainsi pour le cas d’<strong>un</strong> réseau très ramifié :<br />

• L’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> dépression consécutive à <strong>un</strong> arrêt <strong>de</strong> pompe<br />

s’atténue <strong>dans</strong> toutes les ramifications, car la somme<br />

<strong>de</strong>s sections aval est supérieure à la section amont.<br />

• A chaque extrémité d’ant<strong>en</strong>ne, l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> dépression<br />

atténuée se réfléchit <strong>en</strong> surpression (réservoir), ou<br />

dépression (bout mort).<br />

• Comme les temps <strong>de</strong> parcours sont différ<strong>en</strong>ts<br />

généralem<strong>en</strong>t, ces on<strong>de</strong>s réfléchies interfèr<strong>en</strong>t <strong>en</strong>tre<br />

elles <strong>de</strong> façon complexe généralem<strong>en</strong>t sans<br />

augm<strong>en</strong>tation d’amplitu<strong>de</strong> du coup <strong>de</strong> bélier, mais au<br />

contraire <strong>en</strong> s’amortissant rapi<strong>de</strong>m<strong>en</strong>t.<br />

• Par contre, <strong>dans</strong> <strong>un</strong> réseau compr<strong>en</strong>ant <strong>un</strong><br />

<strong>en</strong>chevêtrem<strong>en</strong>t <strong>de</strong> conduites <strong>de</strong> petit diamètre<br />

raccordés sur <strong>un</strong>e canalisation principale <strong>de</strong> fort<br />

diamètre, <strong>un</strong> tel amortissem<strong>en</strong>t sera bi<strong>en</strong> moindre car<br />

la grosse conduite conservera l’ess<strong>en</strong>tiel <strong>de</strong><br />

l’amplitu<strong>de</strong> <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s.<br />

• Cette étu<strong>de</strong>, d’<strong>un</strong> intérêt pratique important, permet à<br />

l’ingénieur <strong>de</strong> conception, et <strong>de</strong> gestion, <strong>de</strong> maîtriser<br />

le phénomène afin <strong>de</strong> dim<strong>en</strong>sionner d’<strong>un</strong>e façon<br />

adéquate, les moy<strong>en</strong>s anti-béliers.<br />

SYMBOLES UTILISES ET LEUR UNITE<br />

c Célérité d’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> coup <strong>de</strong> bélier [m/s]<br />

HN Côte <strong>de</strong> charge nodale variable <strong>dans</strong> le temps [m]<br />

i Gradi<strong>en</strong>t <strong>de</strong> perte <strong>de</strong> charge<br />

S Section <strong>de</strong> la conduite [m 2 ]<br />

Q Débit <strong>de</strong> l’écoulem<strong>en</strong>t à l’instant «t» [m 3 /s]<br />

Hp Côte <strong>de</strong> charge <strong>de</strong> la pompe connue à l’instant «to»<br />

[m]<br />

q Débit connu à l’instant «to» [m 3 /s]<br />

R Résistance totale <strong>de</strong> la conduite [m-5.s2]<br />

ρ Masse volumique [Kg/m 3 ]<br />

l Longueur <strong>de</strong> la canalisation [m]<br />

D Diamètre intérieur <strong>de</strong> la canalisation [m]<br />

Ec Module d’élasticité du matériau formant la<br />

canalisation [Pa]<br />

K Module d’élasticité <strong>de</strong> l’eau [Pa]<br />

e Epaisseur <strong>de</strong> la canalisation [m]<br />

χ Coeffici<strong>en</strong>t t<strong>en</strong>ant compte du mo<strong>de</strong> d’ancrage <strong>de</strong> la<br />

58<br />

canalisation<br />

B. Salah & al.<br />

g Pesanteur [m/s 2 ]<br />

ε Rugosité absolue <strong>de</strong> la paroi <strong>de</strong> la canalisation [m]<br />

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES<br />

1. E. ROCHE, Principes généraux <strong>de</strong> calcul du coup <strong>de</strong><br />

bélier, et <strong>de</strong> la protection anti – bélier, I.C.GREF,<br />

Paris, 1986.<br />

2. SCHLAG, La transmission du coup <strong>de</strong> bélier au travers<br />

d’<strong>un</strong>e bifurcation, le Génie civil n°4, Avril 1968.<br />

3. M. MEUNIER, Coups <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> les réseaux sous<br />

pression, ENGREF, Paris, 1980.<br />

4. L .ALLIEVI, Théorie du coup <strong>de</strong> bélier (traduit <strong>de</strong><br />

l’itali<strong>en</strong>), D<strong>un</strong>od, Paris, 1921.<br />

5. S.ch. BERGERON, Du coup <strong>de</strong> bélier <strong>en</strong> hydraulique<br />

ou coup <strong>de</strong> foudre <strong>en</strong> électricité, Edition D<strong>un</strong>od, Paris,<br />

1950.<br />

6. E.B. WYLIE, V.L. STEETER, S. LISHENG, Fluid<br />

transi<strong>en</strong>ts in Systems Pr<strong>en</strong>tice-Hall, Englewood<br />

Cliffs, New Jersey, 1993.<br />

7. CARON, Un diagnostic <strong>de</strong> coup <strong>de</strong> bélier établi par <strong>un</strong><br />

modèle numérique, revue la Houille Blanche n° 1/2 -<br />

1986.<br />

8. KHAMLICHI, On<strong>de</strong>s élasto-plastiques <strong>de</strong> <strong>coups</strong> <strong>de</strong><br />

9.<br />

bélier <strong>dans</strong> les tuyauteries, Thèse <strong>de</strong> Doctorat, Ecole<br />

C<strong>en</strong>trale <strong>de</strong> Lyon, 1992.<br />

E. HADJ – TAYEB, O. DAMAK, T. LILI, Influ<strong>en</strong>ce<br />

<strong>de</strong> la déformabilité <strong>de</strong>s parois <strong>de</strong> la conduite sur les<br />

écoulem<strong>en</strong>ts transitoires diphasiques, pp. 54-63, revue<br />

Entropie n°209, 1998.<br />

10. BAHRAR, E. RIEUTORD, R. MOREL, G.<br />

ZEGGWAGH, Modélisation du phénomène du coup<br />

<strong>de</strong> bélier avec prise <strong>en</strong> compte du comportem<strong>en</strong>t réel<br />

<strong>de</strong> la conduite, revue la Houille Blanche n°1,1998.<br />

11. F. MASSOUH, On<strong>de</strong>s <strong>de</strong> pression <strong>dans</strong> les conduites<br />

élastiques et visco élastiques - Comportem<strong>en</strong>t <strong>de</strong>s<br />

sections circulaires et elliptiques, Thèse d’état <strong>de</strong><br />

l’Université, Paris VI, 1984.<br />

12. SALAH, A. KETTAB, F. MASSOUH, B.<br />

MBANGANGOYE, Célérité <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong> <strong>de</strong> coup <strong>de</strong><br />

bélier <strong>dans</strong> les réseaux <strong>en</strong>terrés, revue la Houille<br />

Blanche, n° 3/4, 2001.<br />

13. B. SALAH, A. KETTAB, Coups <strong>de</strong> bélier <strong>dans</strong> <strong>un</strong><br />

réseau ramifié <strong>de</strong> rang 2, <strong>en</strong> refoulem<strong>en</strong>t, métho<strong>de</strong> <strong>de</strong>s<br />

caractéristiques - Cas libre, 2 ème séminaire national sur<br />

l’hydraulique, Biskra (Algérie), 26 et 27 Novembre<br />

1996.<br />

14. B. SALAH, A. KETTAB, F. MASSOUH, Propagation<br />

of a water hammer wave in buried pipes with a single<br />

or multi layers wall », 4 th EUROMECH, Solid<br />

Mechanics Confér<strong>en</strong>ces, Metz (France), j<strong>un</strong>e 26-30,<br />

2000.

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