Canal hydraulique - licence 3 egletons

Module L13
Hydraulique
Semestre 6 - 2009
F.L.
Université du limousin
Département de Génie Civil
19300 Egletons
Nom, prénom :
Groupe TP :
Note :
/20
Canal hydraulique
Durée : 3 heures 00
Contexte :
Vous venez de voir en cours des notions ayant trait aux écoulements à surface libre.
La visualisation des divers types d’écoulement vous permettra de faire le parallèle entre la théorie et
l’expérimentation.
Objectifs :
Vous devrez être capable de :
- caractériser les différents types d’écoulement ;
- d’utiliser les différentes formules empiriques pour les déversoirs à bord épais et à bord
mince et de les comparer aux résultats expérimentaux.
Pré-requis :
pertes de charge, hauteur manométrique, équation de Bernoulli,
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Séance de travaux pratiques
1. Présentation
1 – 1 – Description du ban d’essai
Le canal est réalisé en plexiglas. !
Il est supporté sur toute sa longueur par une poutre en acier de section rectangulaire.
Le canal a les dimensions suivantes :
- longueur utile Lu = 4 [m] ;
- distance entre l’axe de rotation et l’axe du vérin de réglage de la pente L p = 3,56 [m] ;
- largeur l = 0,1 [m] ;
- profondeur utile pu = 0,2 [m].
Il est alimenté en eau à partir du réservoir principal par une pompe.
A – contrôle du débit :
- la tuyauterie est munie d’une vanne de réglage de débit ;
- le débit est donné par le débitmètre à cadran situé au milieu du canal ;
- après chaque variation de débit il faut attendre 2 à 3 [mn] pour atteindre un écoulement
stable et relever le niveau de l’eau.
B – contrôle de la pente :
L’inclinaison du canal est obtenue par un vérin de réglage.
La dénivellation est lue sur une règle graduée.
C – contrôle de la profondeur :
La profondeur et le niveau de l’eau dans le canal à une position quelconque sont mesurés avec le
limnimètre qui se déplace sur 2 rails parallèles au dessus du canal.
Un emplacement particulier est prévu pour l’implantation d’ouvrages divers (déversoir à paroi
mince, déversoir rectangulaire…)
1 – 2 – Schéma de l’installation
Schéma de l’installation
Faites un schéma de l'installation dans le cadre ci-dessous :
Titre :
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Séance de travaux pratiques
2. Etude du canal sans obstacle
2 – 1 – Manipulation
Pour trois valeurs de la pente (attention, une pente n’est pas utilisable, trouver laquelle) vous ferez
varier le débit en jouant sur la vanne. Le débit variera de Qmax à Q = 0.
Ainsi, vous relèverez pour 6 valeurs du débit la profondeur du tirant d’eau hn à l’aide du limnimètre.
Vous choisirez une section de mesure dans la zone du canal où l’écoulement est à peu prés
uniforme et complèterez le tableau en bas de page.
2 – 2 - Exploitation des résultats
Déterminez les valeurs du coefficient de Strickler pour une pente et un débit donné
Tracez les 3 courbes hn = f(Q) pour les 3 pentes choisies.
Que peut-on dire de la variation hn = f (Q) ?
Hauteur du canal [cm] :
Q [l/mn]
h lu [cm]
hn [m]
S mouillée[m²]
Hauteur du canal [cm] :
Q [l/mn]
H lu [cm]
Hn [m]
S mouillée[m²]
Hauteur du canal [cm] :
Q [l/mn]
H lu [cm]
Hn [m]
S mouillée[m²]
Dénivelée [mm] :
C
P mouillé[m] Ks
[m1/2 /S]
m
Dénivelée [mm] :
C
P mouillé[m] Ks
[m1/2 /S]
m
Dénivelée [mm] :
C
P mouillé[m] Ks
[m1/2 /S]
m
L’équation de Chézy nous donne :
h hl : perte de charge en [mCE]
Avec I  l
L L : longueur du chenal en [m]
Vmoy  C  Rh  I
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C : coefficien t de résistance selon Chézy
Formule empirique de Bazin :
87
C
m
1
Rh
I : pente de la ligne de charge
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Séance de travaux pratiques
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Séance de travaux pratiques
3. Etude du canal avec obstacle
3 – 1 – Etalonnage des déversoirs
En génie hydraulique, il est courant d’utiliser des déversoirs pour régulariser les écoulements de
rivières ou de canaux à surface libre. Dans certains cas, lorsque nous connaissons la relation liant le
débit d’un déversoir et le niveau d’eau en amont du déversoir et il est possible de calculer le débit
en observant la hauteur d’eau.
Les formules des déversoirs peuvent s’écrire sous la forme :
Ou encore : 𝑙𝑜𝑔
𝑄𝑣 = 𝑙𝑜𝑔 𝑘 + 𝑛 ∙ 𝑙𝑜𝑔 𝑕
Si le graphe de 𝑙𝑜𝑔
𝑄𝑣
𝑙𝑜𝑔 𝑘 et sa pente 𝑛.
en fonction de 𝑙𝑜𝑔
𝑕
𝑄𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑕𝑛
est une droite, son ordonnée à l’origine sera
Pour chacun des déversoirs, pour une pente donnée (de votre choix) et pour cinq débits différents,
mesurez la hauteur h (hauteur au dessus du seuil).
Ainsi, vous pourrez :
- tracer la courbe
𝑙𝑜𝑔 𝑄𝑣 = 𝑓 𝑙𝑜𝑔 𝑕
- déterminer les valeurs de 𝑙𝑜𝑔
𝑘
;
et 𝑛 ;
- vérifiez la valeur de 𝑛 , identifiez 𝑘 puis déduisez en les valeurs de m, m’,  (à l’aide des
formules ci après).
3 – 2 – Déversoir rectangulaire sans contraction latérale
Il est appelé aussi déversoir de Bazin.
C’est le déversoir le plus utilisé industriellement et donnant les résultats les plus fidèles.
Il doit être en paroi mince à nappe libre sans contraction latérale.
Nous devons lire la charge h (différence de niveau entre la surface libre en amont et le seuil
déversant) à une distance du seuil au moins égale à 5 fois h.
De plus l’aération de la nappe doit être complète.
Dans ces conditions la formule qui donne le
débit s’écrit :
𝑄𝑣 = 𝑚 ∙ 𝑙 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙
3
𝑕2
Elle résulte de l’application du théorème de
Bernoulli.
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Séance de travaux pratiques
3 – 3 – Déversoir triangulaire avec contraction latérale
Dans ce cas le débit est donné par la formule suivante :
5
𝛼
𝑄𝑣 = 0,533 ∙ 𝜇 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙ 𝑡𝑎𝑛
∙ 𝑕2
2
3 – 4 – Déversoir à seuil épais
M
Dans ce cas le débit est donné par la formule
suivante :
M
M'
h
h
h'
3
𝑄𝑣 = 0,385 ∙ 𝑙 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙ 𝑕2
P
3 – 5 – Venturi
l1
Dans ce cas d’un écoulement noyé, le débit est donné
par la formule suivante :
l1
l2
v1
v1
Vue en plan
𝑄𝑣 = 𝐿2 ∙ 𝑕2 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙ 𝑕1 − 𝑕2
Dans ce cas d’un écoulement dénoyé, le débit est
donné par la formule suivante :
𝑄𝑣 = 0,385 ∙ 𝑙2 ∙ 2 ∙ 𝑔 ∙
h1
3
𝑕1 2
v2
h2
h3
Profil longitudinal en écoulement noyé
.
h1
vc
hc
h3
Profil longitudinal en écoulement dénoyé
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Séance de travaux pratiques
Déversoir rectangulaire sans contraction latérale
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Séance de travaux pratiques
Déversoir triangulaire avec contraction latérale
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Séance de travaux pratiques
Déversoir à seuil épais
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Séance de travaux pratiques
Venturi
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Séance de travaux pratiques
4. Etude des régimes d’écoulement
4 – 1 – Mise en place de la manipulation
Après avoir placé le déversoir rectangulaire sans contraction latérale, fermez lentement la vanne en
bout de canal jusqu’à qu’un ressaut apparaisse.
En jouant sur l’ouverture de cette vanne essayer de stabiliser le ressaut.
Faites un dessin de la coupe longitudinale du canal dans le cadre ci-dessous.
Titre :
4 – 2 – Détermination du régime (fluvial ou torrentiel)
Après avoir placé le déversoir rectangulaire sans contraction latérale, fermez lentement la vanne en
Rappel :
Le nombre de Froude
Le nombre de Froude a été défini pour caractériser l’écoulement d’un fluide ainsi que son pilotage.
Dh : diamètre hydraulique
v
Fr 
g  Dh
g : pesanteur
v : vitesse d' écoulement
Pour un nombre de Froude inférieur à 1, l’écoulement est dit de type fluvial, sinon, il est dit torrentiel.
Dans le cas d’un écoulement fluvial, c’est l’aval qui pilote l’écoulement.
Dans le cas d’un écoulement torrentiel, c’est l’amont qui pilote l’écoulement.
Le ressaut
4,3 à 5,2 y1
Fuvial
Torrentiel
y2
C2
y1
C1
Dans un écoulement graduellement varié on peut
passer du régime fluvial au torrentiel de manière
continue (ex : la pente qui augmente).
Par contre le passage d’un écoulement torrentiel à un
écoulement fluvial ne peut se faire que par
l’intermédiaire d’une élévation brusque du niveau de
l’eau : le ressaut.
Recherchez le régime des trois parties de l’écoulement le long du canal.
Comment s’effectue le passage du régime fluvial au torrentiel, du régime torrentiel au fluvial ?
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