SIMULATION D`UN RÉSEAU D`EAU : DE LA MÉCANIQUE DES

Classe : Terminale STL-SPCL
Enseignement : Systèmes et Procédés
SIMULATION D’UN RÉSEAU D’EAU :
DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES SANS BANC D’ÉTUDE…
Fiche de présentation de la ressource – Document professeur
Sommaire
A.
Extraits du BOEN ....................................................................................................................................................... 2
I.
Dans le programme Systèmes et Procédés........................................................................................................... 2
II.
Dans le programme terminale tronc commun STI2D/STL .................................................................................... 2
B.
Présentation de la ressource .................................................................................................................................... 3
C.
Utilisation du logiciel à travers un exemple simple .................................................................................................. 4
D.
Simulation d’un réseau d’eau potable « réaliste » ................................................................................................. 10
Mots clés de recherche : mécanique des fluides, pertes en charges, simulation.
Provenance :
Philippe Lardanchet :
[email protected]
Olivier Schira :
[email protected]
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reseau_eau_simulation_epanet.docx
A. Extraits du BOEN
I.
Dans le programme Systèmes et Procédés
Mécanique des fluides
Notions et contenus
Conservation de l'énergie.
Fluide incompressible en mouvement.
Puissance hydraulique.
Pertes de charge.
II.
Capacités exigibles
- Énoncer et exploiter la loi de conservation de l'énergie d'un fluide incompressible en
mouvement.
- Déterminer expérimentalement l'influence de quelques paramètres sur les pertes de
charge : vitesse d'écoulement, longueur et section de la canalisation, singularités
Dans le programme terminale tronc commun STI2D/STL
Les fluides dans l'habitat
Notions et contenus
Pression dans un fluide parfait et incompressible
en équilibre : pressions absolue, relative et
différentielle.
Équilibre d'un fluide soumis à la pesanteur.
Écoulement stationnaire.
Débit volumique et massique.
Capacités exigibles
- Mesurer des pressions (absolue et relative).
- Citer et exploiter le principe fondamental de l'hydrostatique.
- Expliciter la notion de vitesse moyenne d'écoulement dans une canalisation.
- Mesurer un débit.
- Citer et appliquer la loi de conservation de la masse.
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B. Présentation de la ressource
Cette ressource s’intéresse à la distribution d’eau potable. Elle présente quelques unes des possibilités de simulation offertes
par le logiciel EPANET. Ce logiciel permet la réalisation d’un réseau d’eau potable virtuel et l’étude de l’influence de différents
paramètres sur les pressions et débits en différents points du réseau.
Ce logiciel ainsi que ses manuels de présentation rapide et complet sont disponibles à l’adresse :
http://sigea.educagri.fr/ressources-pedagogiques/ressources-thematiques/gestion-de-leau.html
Le logiciel américain, traduit en français, est distribué gratuitement par l’Environmental Protection Agency depuis le mois de
septembre 1993
L’objectif de la ressource est de permettre l’étude des pertes en charges dans un réseau de distribution d’eau potable.
Le logiciel de simulation présenté pourra venir en complément d’une étude expérimentale réalisée sur un banc de mécanique
des fluides pour les lycées qui en possède.
Pour ceux dépourvus de cet équipement, le logiciel permettra aux élèves de se placer dans une situation « vraisemblable » leur
permettant d’étudier de manière quantitative, l’influence des différents paramètres de pertes de charges.
La ressource permet une prise en main rapide par les enseignants en vue d’une utilisation avec une classe.
L’intérêt du logiciel EPANET est la possibilité d’une adaptation rapide des élèves soit en partant d’une situation déjà existante
créée par l’enseignant, soit en créant eux-mêmes leur propre réseau.
L’utilisation conjointe d’un fond de carte permet de plus de tenir compte des contraintes naturelles d’un secteur géographique
préalablement défini (distance et altitude).
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C. Utilisation du logiciel à travers un exemple simple
Un réseau d’eau simplifié contient par exemple :
•
•
•
Un château d’eau avec une hauteur d’eau de 42 m.
3
Un lieu d’utilisation de l’eau (habitation ou entreprise) nécessitant un débit de 3 m /h
Une canalisation de 40 mm de diamètre
1) Sans tenir compte des pertes en charges, la pression attendue par les utilisateurs est de 3 bars.
2) Simulation du réseau avec le logiciel EPANET.
Présentation du logiciel
Après l’exécution du logiciel EPANET, deux fenêtres sont proposées à l’écran.
•
La fenêtre principale, « Schéma du réseau » dans la quelle nous construirons le réseau hydraulique,
•
La fenêtre de navigation « navigateur » qui permettra de définir les éléments (pression, débits…) que l’on souhaite
afficher lors de la simulation.
Pour construire le réseau, nous disposons de trois familles d’éléments :
Les noeuds de demande
, ce sont des points d’entrée ou de sortie d’eau.
Les ressources en eau
, la bâche et le réservoir. La bâche se distingue du réservoir par son caractère illimité
en quantité d’eau disponible.
Les arcs
, tuyaux, pompes et vannes qui permettent la distribution de l’eau.
Les éléments
construction
réseau
Bouton SIMULATION
de
du
Le
choix
des
grandeurs physiques
à afficher
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On dépose les éléments du réseau dans la fenêtre « schéma du réseau » et pour chacun, on définit ses caractéristiques
principales (entourées en rouge ci-dessous) en double-cliquant sur l’objet :
Le diamètre du tuyau est en mm alors que sa longueur s’exprime en m (les unités spécifiques pour chaque grandeur sont
précisées dans le menu Aide↵ Unités ↵).
Le schéma du réseau est réalisé, il faut le simuler en précisant les grandeurs à afficher l’affichage de ces valeurs dans les
options du schéma puis en cliquant sur l’icône simulation.
Options
schéma
du
choix
des
grandeurs à afficher
Simulation
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3
Les résultats sont affichés sur le schéma du réseau : 3m /h pour le débit, une pression de 42 m (colonne d’eau mCE) au pied du
réservoir et seulement 40, 32 mce au niveau de l’habitation.
42
40 ,32
Un fichier déjà paramétré avec l’affichage des valeurs sur le réseau et une taille de police adaptée est proposé aux élèves :
projet vide.net
L’étape suivante consiste à chercher avec les élèves les paramètres influant sur cette variation de pression obtenue au niveau de
l’habitation.
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3) Exemples d’études possibles.
a) Influence de la distance entre le château d’eau et le lieu d’utilisation
On fixe le diamètre du tuyau et on fait varier sa longueur pour un débit donné
Hauteur
42 m
Diamètre
40mm
Débit
3m /h
longueur
pression
L
P
m
(mCE)
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2500
40,32
38,65
36,97
35,3
33,62
31,94
30,27
28,59
26,92
25,24
21,89
18,54
15,19
11,83
8,48
0,1
3
P (mCE)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
2000
2500
3000
L(m)
Mêmes choses avec un débit plus faible
Hauteur
42 m
Diamètre
40mm
Débit
1m /h
P (mCE)
3
45
longueur
pression
L
P
m
(mCE)
100
41,78
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2500
41,55
41,33
41,1
40,88
40,66
40,43
40,21
39,98
39,76
39,31
38,86
38,41
37,97
37,52
36,4
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
500
1000
1500
L(m)
On met ainsi en évidence l’influence de la longueur du tuyau sur les pertes de charges ainsi que l’influence du débit à longueur
égale.
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b) Influence du débit
On fixe le diamètre du tuyau et sa longueur. On fait varier le débit
Hauteur
42 m
Diamètre
40mm
Longueur
100m
Débit
pression
D
P
40
m /h
3
(mCE)
35
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
42
41,78
41,21
40,32
39,12
37,6
35,77
33,63
31,17
28,4
25,32
21,93
18,23
14,22
9,89
5,26
P (mCE)
45
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
15
20
D (m3/h)
On met en évidence l’influence du débit sur la perte de charge
Mêmes choses avec un diamètre plus important
P (mCE)
Hauteur
42 m
Diamètre
80mm
Longueur
100m
45
40
35
Débit
pression
D
P
m /h
3
(mCE)
25
0
2
5
10
12
16
42
41,97
41,86
41,51
41,31
40.81
20
30
15
10
5
0
0
5
10
D (m3/h)
Ici, avec un diamètre plus important, la valeur du débit a peu d’influence sur la perte de charge
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c) Influence de la section
Hauteur
42 m
Débit
3 m /h
Longueur
100m
Diamètre
pression
d
P
35
mm
(mCE)
30
25
40
60
80
125
200
23,66
40,32
41,78
41,95
41,99
42
pression P (mCE)
3
45
40
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
d(mm)
On met en évidence l’influence du diamètre sur la perte de charge
Mêmes choses avec un débit plus faible
pression P (mCE)
Hauteur
42 m
Débit
1 m /h
Longueur
100m
Diamètre
pression
d
P
mm
(mCE)
25
40
60
80
125
200
39,7
41,78
41,97
41,99
42
42
3
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
d(mm)
Ici, avec un débit plus faible, la valeur du diamètre a peu d’influence sur la perte de charge
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D. Simulation d’un réseau d’eau potable « réaliste »
Les élèves travaillent à partir d’un extrait de carte IGN. Ils
doivent mettre en œuvre le réseau de distribution pour
alimenter deux hameaux : la Cougoulette (des habitations) et le
hameau du Pairé (trois fermes).
On supposera que les besoins en eau d’une ferme sont de
3
3
5 m /h alors qu’ils ne sont que de 1 m /h pour une habitation.
Le travail demandé est le suivant :
1) Avec le logiciel EPANET, réaliser la simulation de ce réseau. Les résultats sont-ils conformes avec la
contrainte d’origine (pression minimale de 3 bars) ? Expliquer en simulant différentes situations.
2)
En réalité, la norme impose une pression minimale de 1,5 bar au niveau du compteur et une pression
statique maximale de 6 bars au niveau du compteur. La norme est-elle respectée ? Si non, proposer une
(ou plusieurs) solution(s).
Le professeur a préparé un fichier reseau_2_hameaux.net dans lequel le fond de carte est intégré avec les
dimensions adaptées à l’échelle en mètres.
Les commentaires qui suivent sont en direction de l’enseignant souhaitant incorporer sa propre carte dans le
logiciel. Il faut disposer d’un fichier au format BMP ou WMF. Pour l’insérer en fond de carte, choisir le menu
Affichage ↵ Fond d’écran ↵ Importer ↵
La carte est intégrée en fond d’écran pour le schéma du réseau d’eau. Il reste à configurer les dimensions de la
carte en mètres. Dans notre exemple, la portion de carte choisie de 20,3 × 17 cm correspond à une surface de
2082 × 1743 m.
Par défaut, le schéma impose des coordonnées 10000 × 10000 (sans unités). Pour notre image plus grande sur
sa hauteur que sur sa largeur, le point de coordonnées (0 ; 10000) est situé en haut à gauche. Il faut modifier
l’échelle : 10000 sans unité devient 2082 m.
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(0 ; 10000)
Remplacer
par 2082
Sélectionner
l’unité en mètres
(0 ; 0)
Lorsque les dimensions du schéma sont définies, les arcs tracés seront automatiquement dimensionnés à
l’échelle à condition de valider la longueur automatique.
automatique. Faire un clic droit dans la partie inférieure gauche de la
fenêtre (Long-Auto
Auto Non) pour remplacer par Long Auto Oui.
La longueur automatique
est activée
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