Hydraulique

La modélisation hydraulique : définition

Le terme hydraulique désigne l’étude des liquides au sens large. Différentes applications industrielles s’y rattachent :

• hydraulique à surface libre, se rapportant à l’étude d’écoulement où une interface liquide/gaz marquée existe, tel que pour les fleuves et canaux par exemple,
• hydraulique en charge, où l’on s’intéresse cette fois à l’écoulement dans des conduites fermées. On peut citer par exemple l’écoulement d’eau dans le circuit primaire d’une centrale nucléaire ou d’huile dans un distributeur hydraulique.
• machines hydrauliques, exploitant l’énergie des liquides sous pression, notamment pour des systèmes de levage.

La modélisation hydraulique vise à décrire l’écoulement dans ces différents types de problématiques. En effet, les caractéristiques de l’écoulement peuvent être calculées mathématiquement à l’aide des équations de Navier-Stokes. On peut alors recréer sur un modèle numérique le système étudié, puis résoudre ces équations pour obtenir en tout point de l’espace et à tout instant la vitesse, la pression, la hauteur d’eau ou encore la turbulence de l’écoulement.

Selon le problème traité, la modélisation hydraulique peut être tridimensionnelle, bidimensionnelle ou monodimensionnelle. Pour l’étude des risques d’inondation ou des hauteurs de cours d’eau selon plusieurs scénarios, les modèles 1D et 2D sont généralement privilégiés.

Pour des systèmes plus réduits spatialement mais que l’on cherche à caractériser plus finement, la modélisation 3D permet de décrire avec précision l’effet des singularités géométriques, l’interaction de l’écoulement avec son environnement, et donne un aperçu complet du problème. Ainsi, des applications comme le calcul d’évacuateur de crues, de conduites forcées de barrage ou de passes à poissons, ou encore de stations d’épuration et de bassins d’orage sont possibles par la modélisation hydraulique.

Bureau d’études en mécanique des fluides pour le secteur hydraulique

Le domaine de l’hydraulique est l’un des tout premiers sujets d’étude de la mécanique des fluides et la modélisation hydraulique par CFD y trouve très logiquement sa place. Le champ d’action d’Optifluides dans le domaine de l’hydraulique est l’un des plus vastes : du simple calcul de pertes de charge en écoulement monophasique liquide à la propagation des ondes sismiques dans la conduite forcée des barrages, en passant par le dimensionnement des écluses du canal de Panama ou la quantification des chargements thermohydrauliques en circuit primaire de centrale nucléaire. La modélisation hydraulique est au cœur de notre activité. OptiFluides se spécialise plus particulièrement dans la réalisation de modélisations 2D ou 3D.

Découvrez les exemples d’applications du calcul CFD pour les infrastructures hydrauliques.

Turbomachines

Qu’il s’agisse de machines réceptrices pour la production d’énergie ou génératrices pour la mise en circulation du fluide, la CFD permettra de modéliser le comportement des fluides dans différents types de turbomachines, d’analyser les pertes de charge et de proposer des modifications de conception pour maximiser les performances.

• Réduction des pertes énergétiques : la simulation permet de quantifier précisément la consommation de charge hydraulique zone par zone, de cibler et d’optimiser les zones critiques à forte perte de charge, pour in fine améliorer la performance.
• Prévention de la cavitation : la CFD permet de prévoir et de minimiser les risques de cavitation, augmentant ainsi la durabilité et l’efficacité des pompes.
• Optimisation du pilotage des turbines : pour les turbines Francis, on retrouve généralement en sortie de bâche spirale un ensemble d’aubes avant-directrices et directrices, permettant notamment de diriger le flux vers la roue. Les modèles tridimensionnels mis en œuvre par OptiFluides permettent d’analyser l’influence de l’angle d’incidence de ces aubes pour maximiser le rendement, éviter la cavitation et la génération de turbulence.

Optimisation des barrages hydrauliques et des infrastructures

Dans les barrages et infrastructures hydrauliques, la simulation CFD permet d’optimiser les écoulements pour améliorer la gestion des ressources hydrauliques.

• Gestion des crues : la simulation CFD permet de modéliser divers scénarios de crue à l’échelle 1:1, afin de valider la conception des organes de décharge. OptiFluides étudie notamment les évacuateurs vannés de fond, ainsi que les instabilités type battement pouvant s’y développer et quantifier leur impact structurel.
• Modifications des déversoirs : les déversoirs à seuil permettent aussi d’évacuer un débit excédentaire. La simulation permet de modéliser ces seuils pour déterminer les coefficients de débitance, reliant débit et hauteur d’eau amont. Ceci est particulièrement intéressant lorsque l’on souhaite réaliser des modifications du seuil, ne permettant plus d’utiliser les corrélations habituelles. Ainsi, OptiFluides simule les déversoirs équipés de hausses fusibles, destinées à rehausser la cote du barrage et augmenter la production en cas de forts débits, et automatiquement évacués lorsque la cote limite est atteinte.
• Siphons : autre organe de décharge, aussi utilisé pour assurer un débit de réserve en cas d’étiage, la phase d’amorçage et la débitance des siphons peut être simulée par OptiFluides
• Courantologie : A l’aide des bathymétriques du cours d’eau, OptiFluides réalise des simulations tri-dimensionnelles de l’écoulement à surface libre permettant de déterminer avec précision le champ de vitesse à l’amont de l’installation, son impact sur la prise d’eau, les fluctuations de hauteur d’eau ou l’évacuation des crues.

Lubrification et refroidissement des machines tournantes

• Refroidissement des composants critiques : Simuler et optimiser le refroidissement des pièces en mouvement est une autre application. Une bonne gestion thermique est essentielle pour éviter la surchauffe, réduire l’usure, et garantir la fiabilité des machines.
• Réduction des pertes de friction: en modélisant les interactions entre les surfaces en mouvement et les fluides lubrifiants, la CFD permet de quantifier et réduire les pertes de friction, prolongeant la durée de vie des composants et améliorant leur rendement.
• Optimisation du débit de lubrification: la CFD aide à ajuster le débit des lubrifiants pour s’assurer qu’ils atteignent efficacement toutes les zones critiques, paliers et roulements.

Traitement de l’eau

• Débitance et conception des installations : Les stations d’épuration reposent sur différents procédés pour assainir les eaux usées : physiques (dégrillage, décantation…), physico-chimiques (floculation), chimiques ou biologiques. La simulation permettra de caractériser l’écoulement à chacune de ces étapes, voire de quantifier et d’améliorer leur efficacité, ainsi que la hauteur d’eau ou la charge hydraulique nécessaire pour traiter le débit souhaité. La CFD joue ainsi un rôle déterminant pour la conception des STEP, le dimensionnement des pompes…
• Optimisation des bassins de décantation : Dans les bassins de décantation, les faibles vitesses permettent la sédimentation des particules solides en suspension, que l’on souhaite séparer. L’homogénéité des vitesses, l’absence de survitesses et la maîtrise de la turbulence sont des paramètres essentiels que la simulation CFD permettra de connaître pour modéliser le comportement des sédiments de maximiser leur efficacité
• Procédés d’ozonation : le traitement de l’eau fait également intervenir des écoulements multiphasiques tels que l’ozonation, procédé dans lequel de l’ozone (bulles gazeuses) est injecté dans les eaux usées à traiter (liquide). Ces écoulements multiphasiques complexes peuvent être simulés avec les logiciels CFD, permettant de vérifier si le flux est correctement traité, neutralisant efficacement les virus et bactéries pathogènes.
• Réacteurs biologiques : la simulation CFD permet de modéliser les écoulements dans les réacteurs biologiques, en garantissant une meilleure aération et une répartition homogène des nutriments pour une purification plus efficace.

Conclusion

La simulation CFD est un levier incontournable pour le secteur de l’hydraulique. Les applications sont nombreuses, et vous apporteront des éléments importants pour mieux comprendre, maîtriser et améliorer vos équipements ou installations hydrauliques.

Contactez-nous dès aujourd’hui pour découvrir comment la CFD peut transformer vos projets dans le secteur de l’hydraulique.