l Hb 1966001

SocitHydrotechnique de FranceGroupe de Travail n 10 :

Section Machines

ENQUETE SUR LAFORMATION DE VORTEX ET

AUTRES ANOMALIESD'ItCOULEMENT DANS UNE

ENCEINTE AVEC OUSANS SUR'FACE LIBRE

Sommaire

1. INTRODUCTION.2. BUTS DE LA PRSENTE ENQUTE.3. CONDITIONS DE FORMATION DE VORTEX.

3.1. Introduction.3.2. Variation des conditions hydrauliques.3.3. Variation des formes gomtriques.

4. AUTRES ANOMALIES n'COULEMENT.4.1. Introduction.4.2. Torche tourbillonnaire sous la tulipe de la

prise.4.3. Bulles et torches, chambre d'aspiration de la

pompe de circulation de la centrale desAnsereuilles.

5. DISPOSITIFS ANTI-VORTEX.5.1. Introduction.5.2. Dispositifs anti-vortex.5.3. Autre dispositif anti-vortex : le dispositif de

grilles latrales en mtal dploy.6. SIMILITUDE DES VORTEX.

6.1. Remarques prliminaires.6.2. Principaux critres.6.3. Impossibilit de la ralisation d'une simili-

tude complte.6.4. Similitudes proposes.6.5. Principaux rsultats obtenus au Centre

d'Essais et Recherches de Chatou sur lasimilitude des vortex.

Electricit de France.

LA HOUILLE BLANCHE/N 1-1966

PAR J.-P. BERGE *

7. CONCLUSION.

8. DISCUSSION DU RAPPOHT l'AH LA SECTION MA-CHINES.

BIBLIOGHApHIE SOMMAIRE.ANNEXE: FICHES (renseignements fournis pour

l'enqute) :Catgorie 1 :

Vidange par gravit,Classe A : Prises ordinaires,Classe B : Siphons;

Catgorie II :Vidange force,Classe A : Verticale descendante,Classe B : Verticale ascendante;

Catgorie III :Autres anomalies,Classe A : Torches,Classe B : Bulles-torches.

1. Introduction

Dans certains ouvrages hydrauliques, des mouve-ments tourbillonnaires assez importants peuvent seproduire lorsque l'eau passe d'un tat d'coulement surface libre un coulement en charge. Enoutre, d'autres anomalies (torches tourbillonnairesnotamment) sont quelquefois observes au seinmme d'coulements en charge.

Dans le cas d'une surface libre, et sur cettesurface, les tourbillons peuvent quelquefois s'ampli-fier, crant en un point une sorte d'entonnoir ou

13

Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1966001

J.-P. BERGE

vortex. Le cas chant, un entranement d'air seproduit galement dans la dpression centrale(vortex ar). On note dans ces cas une augmen-tation trs rapide des vitesses de rotation au fur etil mesure que l'on se rapproche du centre dutourbillon.

On peut observer de tels phnomnes lors del'coulement par des orifices (vidanges de rser-voirs, de sas d'cluse, entre de galeries en charge,coulement sous une vanne, prises d'eau dans uneretenue ou en rivire... ) ou dans les stations depompage, quelle que soit la disposition de l'orificed'aspiration (fig. 1).

Beaucoup de chercheurs se sont consacrs ill'tude des vortex il cause des effets secondairesdont les mouvements tourbillonnaires intenses etl'entranement d'air seraient il l'origine. Dans lecas d'une aspiration, signalons les vibrations ind-sirables des divers lments de la pompe et notam-ment de ses supports, une tendance il favoriser leseuil de cavitation, une diminution de son rende-ment et de celui de l'installation. Dans le cas d'unevidange gravitaire par un orifice, il a t not unediminution non ngligeable du coefficient de dbit.Il faut galement ajouter dans tous les cas lesdangers d'aspiration de corps flottants, les bruitsintenses, ...

Des tudes thoriques complexes ont t ralises

1/ Vortex dans une station de pompage.Vorie.r in (f pnmping plant.

14

sur ce sujet mais, pour les mener il bien, denombreuses hypothses simplificatrices ont tncessaires. Le cas particuliremcnt tudi est celuidu vortex de vidange, stable, permanent, crpar l'aspiration dans l'orifice axial d'une cuvecylindrique.

Ce cas est cependant trs thorique. Dans lamajorit des installations il n'existe aucune sym-trie d'coulement et le vortex form n'est paspermanent: il apparat, s'amplifie et disparat aprsavoir parcouru sur la surface libre un chemincapricieux et variable. Il rapparat ensuite en unnouvel emplacement.

2. Buts de la prsente enqute

2.1. En l'absence de thories prcises permettantdans chaque cas particulier de prdterminer lesrisques d'apparition du vortex, de nombreux cons-tructeurs ou laboratoires eiIectuent chaque anneplusieurs tudes pour viter leur formation._- soit pour des prises d'eau de barrages, en

rivire ... ;soit dans les charnbres d'aspiration de stationsde pompage.

En efTet, les conditions de formation de ces ph-nomnes dpendent non seulement des conditionshydrauliques de l'coulement (hauteur d'eau, d-bit, ... ), des conditions ambiantes (notamment dela temprature du fluide), mais aussi des formes dela chambre (chambre d'entonnement ou chambred'aspiration) .

Or il n'est pas toujours possible d'obtenir pourune prise ou une chambre un trac correct. Le plussouvent, des conditions de gnie civil, de prixde revient prohibitif, imposent par exemple undsaxage important entre le canal d'amene et laposition de la prise ou de la pompe, crant de cefait un moment cintique de valeur non ngligeableet la formation de vortex.

A chaque fois, les mmes types d'essais sontrepris, avec les mmes solutions imparfaites tellesque radeaux flottants, crpines, panneaux dvia-teurs plus ou moins inclins, ... avant d'obtenir dessolutions donnant satisfaction.2.2. Nous avons donc recherch, au sein de la Sec-tion Machines de la Socit Hydrotechnique deFrance, rassembler pour un profil commun l'ex-prience acquise par les diffrents constructeurs oulaboratoires.

Il est bien entendu impossible de faire ici l'inven-taire complet de toutes les formes de chambre ou detoutes les dispositions de une (ou plusieurs) prisesd'eau ou pompes d'aspiration dans ces chambres.

Nous avons retenu parmi les rponses obtenuesles cas particuliers les plus caractristiques (regrou-ps cn annexe sous forme de fiches), de faon permettre aux constructeurs et aux laboratoires deconnatre dans ces cas, outre les conditions de for-mation de vortex, les dispositifs qui ont permissa suppression. Il est souhaitable de pouvoir ainsiviter les trs nombreux et coteux ttonnementsdans la recherche d'une solution qui peut en dfi-nitive ne pas donner entire satisfaction.

Enfin, il est galement paru intressant, bien que

dbordant du cadre de l'enqute, de joindre auprsent rapport un paragraphe o il est prcisdans quelles conditions de similitude les tudes surmodle ont t ralises, et une annexe bibliogra-phique regroupant les titres des principales tudesef1'eetues actuellement sur ces sujets.

3. Conditions de formation des vortex

3.1. Introduction.La formation de vortex dpend de nombreux

paramtres, notammcnt des conditions hydrau-liques (hauteur d'eau, dbit, ... ) et des formesgomtriques de l'installation.

L'tude de la variation de ces difTrents para-mc'tres est trs instructive, mais (sauf en labora-toire) n'est que trs rarement ralisable.

Cependant, dans notre enqute, des variationsdu niveau du plan d'eau nous ont t quelquefoissignales, permettant ainsi de mettre en vidence leseuil de submersion critique. Le plus souvent cesprcisions ne pouvaient tre fournies de faonrigoureuse, mais les renseignements obtenus (etregroups sur fiches) sont cependant fort intres-sants, car ils permettent de mettre en vidence descaractristiques d'installations viter.

L'analyse des renseignements obtenus, joints ceux de nos essais au Centre de Chatou ou trouvsgalement dans la littrature (Cf. bibliographies enannexe) permet de prciser l'influence des varia-tions des conditions hydrauliques ou des formesgomtriques de l'installation.

3.2. Variation des conditions hydrauliques.La variation des conditions hydrauliques (dbit

d'aspiration de vidange Q, hauteur d'eau au-dessusdu radier H) conduit au trac:-- du rseau (Q, H, r), en dsignant par r la

valeur de la circulation autour du vortex, canlC-trisant la forme de la partie hyperbolique de cedernier;de la caractristique (Q, H) de dbut d'entrane-IDent d'air, permettant, pour chaque valeur dudbit, de dterminer le seuil de hauteur d'eau He(ou submersion au-dessus de la tulipe Zc) cri-tique partir de laquelle les vortex ne sont plusars.

Les rsultats obtenus dans un cas particulierd'installation sont dtaills au paragraphe 6.5.2.L'augmentation relative de hauteur d'eau permet-tant d'viter l'entranement d'air est nettementmoins importante que l'augmentation relative cor-respondante du dbit.

3.3. Variation des formes gomtriques.En l'absence, d'une part, d'une thorie exacte de

la formation des vortex, d'autre part, de la connais-sance des conditions de similitude entre modleet prototype, quelques tudes exprimentales ontcependant t entreprises dans le but de rechercherl'influence des formes gomtriques de la chambresur les conditions d'apparition du vortex. Il estcertainement vraisemblable en effet qu'une mesurequi rduit l'intensit des vortex sur le modle doit


aussi les rduire sur le prototype, quoique ncessai-rement pas au mme degr.

Pour simplifier l'expos nous envisagerons uni-quement le cas des vortex crs par aspiration. Laformation de vortex sera earactrise par la relation(He "- Q) de la hauteur critique au dbit dansl'orifice.

Nous renvoyons, dans le cas d'une vidange, auxtravaux de Haindl, qui a tudi l'influence desconditions aux limites (mouvement rotationnel plusou moins important) et l'influence des dimensionsgomtriques (diamtre de la cuve et diamtre del'orifice) sur la formation de vortex.Vortex cr par aspiration verticale ascendante:

De nombreuses variations des conditions gom-triques ont t tudies. Nous examinerons ici lesplus caractristiques, ralises dans les chambresrectangulaires, et susceptibles de ce fait d'uneventuelle gnralisation ..

La forme exacte d'une chambre de mme que lesnotations utilises sont prcises sur la figure 2 a.Les comparaisons seront efTectues pour des dbitsconstants.

a) VAlUATION DE LA DISTANCE TULIPE-RADIER (DIS-TANCE Y) :

En faisant varier la distance Y de la tulipe auradier, toutes les autres variables restant inchan-ges :

Iversen (rsultats fig. 2 b) et Denny ont trouvqu'une augmentation importante de la distanceY (le rapport Y/He pouvant atteindre 0,6) entra-nait une diminution de la submersion critiqueZe et une augmentation de la hauteur critiqueHe;Markland et Pope indiquent que si Y crot, Zcdiminue tandis que He resterait sensiblementconstant ;les rsultats obtenus (flg. 2 c) au Centre deChatou ont permis de montrer, pour des valeursY/He assez faibles [0,08 < (Y/He) < O,lH] unediminution simultane de la hauteur critique etde la submersion critique.

En fait il semble, suivant les valeurs de Y/Beralises dans les difTrentes exprimentations, queHe passe par un minimum lorsque Y augmente.Pour ce minimum, le rapport Y/He serait comprisentre 0,2 et 0,8 environ, valeurs pour lesquelles lesrisques de formation de vortex seraient les plusfaibles.

Cependant, pour obtenir les conditions optimalesde rendement de la pompe, Iversen, Stepanofl' ouRichardson recommandent dans les projets d'ou-vrages d'adopter une distance tulipe-radier gale la moiti du diamtre de la tulipe.

b) VAlUATION DE LA DISTANCE AUX l'ABOIS.Distance des parois latrales (B = 2 XL + D)

Les tudes ont t ralises avec des paroislatrales disposes symtriquement de part etd'autre de la pompe. Les rsultats de Iversen(fig. 2 b) et ceux obtenus au Centre de Chatoumontrent que la submersion critique diminue sil'cartement XL diminue. Cette variation est d'au-tant moins importante que la valeur de Y est plusgrande.

15

J.P. BERGE

a) Schmas de l'installation - Diagrams of lhe installation

o .....1----Xf'

.JX

A

t-- -

---

- -- -

--) 0 ~ -r---

--

- - .-r-- -N

e------

"--

-- -

't= r----J E-,

'" >-

X/O05

o

o 0,1 (),2 0,.3 Y/He

o

XJD;;; 5,5

C

L.N.H.

f) Influence du sens d'aspirationEffeet of suelion direction

'------'-----~Z/Do " 8

o

Influence de la distance "tulipe radier"Efreet of distance from bellmouth to (Ioor

( X~XpXL)CD IVERSEN Re=11x10"Hc/D

4 r~T-rT'23r---~~.+.. - .... ' xjo2 ti J_. .__ ;0,51]-II-lia-; .. "2 y/a

tt

ABC

U)~

~7,5

y

1012,5

d) Courbe iso-submersion critiqueCr/tieal equal submersion eurve

L- '-- ...l-__7_0_ ~ Ho 0,15 0/30 m,

e) Influence de la forme de la tulipeErreet of bellmouth shape

D 3,75cmE 6,25cm

B = 0/6 m

o =3,75 cmV: 4 mIsY/D:1C/B:1/2

2/ Influences des limites gomtriques. Effect of geometrical bounelaries.

16

Distance du tuyau il la pal'oi verticale oppose laface d'entre (XI!') :Les rsultats de Markland et Pope confirment

ceux obtenus au Centre de Chatou. Une diminutionde cette distance XI!' au fond (XL tant constant)entrane galement une diminution de la submer-sion critique.

Pour diminuer les risques de formation de vortexil y a intrt diminuer les zones d'eau morte,no'tamment celles qui se trouvent derrire la pompe.Toutefois, pour ne pas afIecter les caractristiquesde la pompe, Iversen recommande de ne pas rap-procher les parois verticales une distance inf-rieure D/2 environ du tuyau. Signalons encoreque Young a propos sur ce sujet une formuleempirique assez complique.Modification de la position de la pompe dans le

puits:Denny a montr l'importance de la variation de

la submersion critique lorsque le tuyau d'aspirationtait dplac dans un puits de formes gomtriquesinvariables, le dbit d'aspiration restant constant.La figure 2 d est un exemple de carte isosubmersioncritique. Elle indique que les vortex se forment leplus facilement lorsque la pompe est place dansla partie centrale du puits.

c) VAlUATION DU DL\MI':THE DE LA TULIPE.Les rsultats de Marldand et Pope confirment une

fois encore ceux obtenus au Centre de Chatou.Quand le diamtre de la tulipe augmente, la sub-mersion critique diminue. Ce sens de variation taitprvisible, car toute augmentation du diamtre dela tulipe se traduit par une augmentation de lalongueur du vortex.

La forme de la tulipe est galement un paramtrequi modifie les conditions d'apparition du vortex.

Sans traiter ici ce sujet d'une facon dtaillenous extrairons cependant des trava{lx de Denn;plusieurs schmas reproduits par les figures 2 eet 2 f.

Dans les cas schmatiss par la figure 2 f, onconstate que l'orientation de l'orifice d'entre versl'coulement diminue les possibilits de formationde vortex.

d) VARIATION DE LA LARGEUR D'ENTRE DE LACHAMEllE.

Les essais raliss par Denny et Young, commeles essais raliss au Centre de Chatou, ont montrque toute diminution de la largeur d'entre C de lachambre augmentait la submersion critique nces-saire pour empcher la formation des vortex.

e) VARIATION DU DIAMTRE DU TUYAU.Les essais raliss au L.N.H. ont indiqu que la

submersion critique Zc diminue si le diamtre dutuyau est augment, c'est--dire en diminuant lavitesse dans le tuyau.

f) REMARQUES.En comparant parmi les difIrents essais efIec-

tus au Laboratoire ceux relatifs une modificationde paramtres gomtriques (distance tulipe-radier,diamtre du tuyau, etc.) nous avons constat que la


3/ Torche sous la tulipe d'une pompe.Vortex lllldel'neath a pllmp inlet bel/mollth.

submersion critique ncessaire pour empcher laformation de vortex restait sensiblement la mme sila vitesse du fluide sous la tulipe avait la mmevaleur. Cette valeur de la vitesse sous la tulipesemble de ce fait devoir beaucoup mieux caract-riser la formation de vortex que la valeur de vitessedans le tuyau, propose par exemple par Denny.

4. Autres anomalies d'coulement

4.1. Introduction.Le vortex n'est pas la seule anomalie d'coule-

ment pouvant exister dans un ouvrage de prised'eau. Il en existe encore beaucoup d'autres. Il estregrettable que trs peu de renseignements nousaient t fournis sur ce sujet.

Nous pouvons signaler les deux cas suivants:

4.2. Torche tourbillonnaire sous la tulipe de la prise.

Sur plusieurs modles de station de pompage ra-liss au Centre de Chatou, des phnomnes de tor-ches tourbillonnaires ont t observs sous la tulipede la prise (fig. 3).

17

J.-P. BERGE

4/ BuEes dans une station de pompage.Bubbles in a [Julilping plan!.

Ces phnomnes n'taient certainement pasengendrs par la pompe, car dans le cas prsentseules ses formes extrieures taient figures surle modle. La pompe proprement dite, provoquantJ'aspiration de l'eau, se trouvait bien l'extrieurdu modle, il une dizaine de mtres l'aval, latuyauterie comportant en outre plusieurs coudes.

L'exprience a montr une formation de torchesparaissant indpendante des autres mouvementstourbillonnaires de la chambre. Beaucoup pl us fr-quentes et plus permanentes que le vortex, cestorches pouvaient prendre des dimensions assezimportantes.

Cette figure de cavitation est le centre du mouve-ment tourbillonnaire d'ensemble provoqu sous latulipe par l'coulement dissymtrique dans la cham-bre. Elle peut tre trs facilement supprime:

au moyen des mmes grilles latrales verticalesen mtal dploy qui seront mises en place pourla suppression du vortex (Cf. 5.3) ;par l'installation sur le radier de la chambred'un dispositif (grille dflectrice par exemple) forte perte de charge dans le sens de rotation.

4.3. Bulles et torches: chambre d'aspiration de lapompe de circulation de la centrale des Anse-reuilles.

La valeur trop faible du volume de la chambre etle dsaxage du collecteur d'amene d'eau par rap-port la pompe de circulation provoquait (fig. 4) :

la formation d'un grand nombre de bulles d'air;18

des mouvements tourbillonnaires importantsavec torches verticales (entre la tulipe et leradier) ou horizontales (rouleaux entre la tulipeet une paroi verticale).

Toutefois l'agitation intense du plan d'eau emp-chait la cration depuis la surface libre du vortexavec entranement d'air.

L'implantation de la station dans le sous-sol dela centrale, autour d'auxiliaires dj en place, nepouvant autoriser qu'une faible augmentation duvolume de la chambre, il a t ncessaire de placer l'intrieur un dispositif correcteur comprenant(Cf. fiche correspondante en annexe) :

une grille directrice verticale la sortie du col-lecteur;une grille dflectrice forte perte de charge,dans le sens de rotation, sous la tulipe de lapompe.

5. Dispositif anti-vortex

5.1. Introduction.Dans la chambre d'une prise d'eau, ou dans son

canal d'amene, il existe toujours en pratique desdissymtries, mme trs faibles, des limites go-mtriques.

L'impossibilit de supprimer compltement cesdissymtries peut entraner la cration d'unmoment cintique par rapport l'axe de la conduiteen charge, puis, le cas chant, du vortex. Elkncessite la ralisation de dispositifs anti-vortex.

Ecartons au pralable le cas o l'ouvrage de prised'eau n'est pas encore ralis. La connaissance del'influence des limites gomtriques de la chambresur la formation de vortex et le cas chant descourbes caractristiques de hauteur critique facilitela ralisation d'un projet d'installation correct.

5.2. Dispositif anti-vortex.Cependant, dans le cas o l'ouvrage est dj cons-

truit, ou lorsque des donnes impratives lui impo-sent des formes gomtriques particulires, exami-nons quelques-unes des solutions proposes par noscorrespondants (cf. galement les fiches en annexe)ou par les diffrents auteurs dans la littrature. Cessolutions sont les suivantes:

tout d'abord, une augmentation du niveau duplan d'eau au-dessus de l'orifice de succion. Cecirevient changer de rgion sur la caractristi-que He - Q de dbut d'entranement d'air. Bienqu'elle soit conseille par de nombreux auteurs,cette manire de procder conduit des modifi-cations importantes de l'instaUation, desdpenses prohibitives ou des pertes de rende-ment;radeau de bois flottant sur la surface libre (Ste-panoff, Haindl, ... );flotteur sphrique de dimensions assez impor-tantes. Entran par les mouvements tourbillon-naires dans la dpression centrale du vortex, cedernier empche l'entranement d'air (Haindl);suppression des zones d'eau morte dans lesquel.les le vortex peut plus facilement se former (Ins-titut de Gand, ...):


- dans un bu t semblable, mur vertical derrirel'orifice de la prise, dans le sens de l'coulement(Allen, Taylor), ou masque inclin au-dessus desprises de vidange (Laboratoire du Gnie Rural);dispositif permettant d'augmenter la vitesse dufluide clans la direction de la prise. Ce moyenpeut encore tre considr comme une variantedu prcdent (Nelson);tout dispositif qui provoque une violente agita-tion permanente du plan d'eau;crans dviateurs plus ou moins nombreux dansle cas o plusieurs pompes sont dans le mmepuits, ou dispositions particulires de ces pom-pes (StepanoII, Fraser, Denny, ... Installation desdocks de CardilI, ... );pertes de charge plus ou moins importantes parla traverse de grilles par l'coulement (nom-breux auteurs);tout dispositif qui allonge la longueur du vortex:entre la surface libre et la prise (Denny, Mark-land, Perelman, Poliovski, Pope,...);dans un but semblable au prcdent, plaquehorizontale d'assez grand diamtre dispose surle tuyau d'aspiration ou directement sur latulipe de la pompe (installation Sulzer de BoumeSud Fen, Vevey, ... );tout dispositif immerg qui, heurt par la queuedu vortex au cours de son dplacement, en pro-voquera la destruction (Institut de Montevi-deo, ...) ;ailettes sur les murs du rservoir ou de la cham-bre, dans des plans perpendiculaires, pour emp-cher la rotation (Haindl, ...);ailettes en croix: l'entre de l'orifice, bien quecette solution qui diminue les tourbillons soitpeu efIicace sur le vortex lui-mme (Denny, ... );dispositif qui permet l'aration du canal ou duconduit d'vacuation si seul l'orifice de prise esten charge (Camichel, Escande, Perelman,Poliovski, ... ) ;

Tous ces dispositifs an ti-vortex ont t utilissdans des cas bien particuliers et il n'est pas toujoursprcis dans quelles conditions de hauteur d'eauou de dbit ils sont efIicaces. Ils empchent en gn-ral l'entranement d'air mais ne suppriment pas lestourbillons vers l'orifice de la prise.

C'est le cas par exemple d'un autre dispositifdans lequel ils sont volon tairement intensifis.Markland et Pope ont en elIet remarqu, dans unpuits cylindrique avec aspiration centrale verticaleascendante dans un tuyau au centre du puits, qu'au-cun vortex ne peut se former si le fluide possde ill'entre de la chambre un mouvement important derotation. Ces auteurs proposent de ce fait, de don-ner au fluide un mouvement artificiel de rotation,centr sur le tuyau d'aspiration, comme moyen desupprimer le vortex. (Dans le cas d'une vidange, ilsufIirait de remplacer le tuyau par un noyau cylin-clI'ique au-dessus de l'orifice).

Cependant, pour placer les pompes dans desconditions correctes d'aliluentation, c'est--direexemptes de tourbillons, il serait ncessaire de d-truire ensuite ces derniers volontairement crs aupralable, d'o une perte d'nergie.

5.3. Autre dispositif anti-vortex: le dispositif de grilleslatrales en mtal dploy.

Citons enfin le dispositif des grilles en mtaldploy. :Mis au point au Centre de Chatou, ilconsiste placer dans la chambre d'aspiration,paralllement la direction de l'coulement elsymtriquement par rapport il la pompe (ou il l'ori-fice de succion en cas de vidange), des grilles lat-rales verticales en mtal dploy (schmas de prin-cipe figures 5 a et b).

Une grille de mtal dploy est constitue parun grand nombre de mailles identiques, ayant cha-cune la forme d'un losange. Vues en coupe, ces gril-les se prsentent sous la fonne d'une srie d'auba-ges parallles. Pour obtenir un bon elIet dflecteur,la largeur de la lanire de chaque aubage doit tre

Schmas de pri ncipe - Principle sketches

Exemple d'implantation des grilles de mtal dployExamples of expanded metal screen layouts

Disposition des grilles- Screen layout

..

Largeur maillerMesh wldth

paisseur maille 1 Largeur lanireMetal thjfkness Strop wldth

~ ~ ~\\~~\\~------

1__ .1.....

Q rompe:PumPI1,

\)-. _./

/

/

,/ 1

~"'""'o;.." ......,,"............__.........~...........*

~~~"'''''/~~'''~;.Y../../', ,.- ,,,,1

Mur du fond ou grille/ End wall or screen

5/ Dispositif anti-vortex de grilles en mtal dploy. Expanded me/al anli-vor/ex screens.

19

J.P. BERGE

assez grande. La grande diagonale doit en outre treplace paralllement au vecteur tourbillon, soit ver-ticalement dans la majorit des cas.

La dissymtrie de ce mtal permet ainsi de pr-senter tout coulement fluide une rugosit latralesensiblement nulle dans le sens normal d'coule-ment pertuis d'entre-orifice d'aspiration. Aucontraire, cette rugosit devient trs importante(avec le cas chant dflection) dans le sens opposd'coulement qu'engendre toute cration de tourbil-lons (fig. 5 c).

Dans ces conditions, et pour des caractristiquesconvenables du mtal dploy, l'exprience a mon-tr que ce dispositif plac sur toute la hauteurd'eau de la chambre permet de supprimer compl-tement la formation de vortex et les mouvementstourbillonnaires (torches) sous la tulipe.

De plus, une visualisation des lignes de courantmet en vidence un coulement calme, complte-ment rgularis, dans toute la chambre.

Les caractristiques des grilles disposer dpen-dent des conditions hydrauliques (dbit, hauteurd'eau) et de la valeur initiale de la circulation dufluide l'entre de la chambre. Des essais surmodle permettent de la dterminer avec exactitude,mais il est possible de dgrossir le problme par-tir des solutions dj mises au point dans la pra-tique et dont les principales sont rappeles sur lesfiches (Cf. fiches Il.BA II.B. 7).

Aucun courant ne traversant les grilles en fonc-tionnement normal de l'installation, les pertes decharge introduites par le dispositif sont ngligea-bles. Elles sont restes dans tous les cas, sur lesmodles raliss, infrieures aux erreurs denlesures.

Des cloisons pleines, mises la place des gril-les, laissent subsister le vortex. Au contraire, cesmmes cloisons pleines, disposes derrire les gril-les (du ct oppos l'orifice de succion), ne modi-fient pas les rsultats favorables obtenus primitive-ment: tous les mouvements tourbillonnaires sontsupprims. De ce fait, le dispositif de grilles verti-cales en mtal dploy peut empcher la formationde vortex dans des formes quelconques de chambred'aspiration.

Quelle que soit la forme du bassin d'aspirationou de la chambre, il est ainsi possible de disposer l'intrieur, autour de chaque orifice de succion, unensemble de grilles verticales diriges chaquefois dans la direction de l'coulement (Cf. les difl'-rents exemples en annexe).

Dans le cas particulier de pompes verticales plon-geant dans un bassin, il est dispos galement der-rire celles-ci, pour joindre les deux grilles latra-les et viter une zone d'eau morte non dlimite l'arrire de la pompe, une autre grille verticale dontle sens des mailles est encore tel qu'il vite touteformation de tourbillon.

Prcisons de nouveau que les caractristiques dumtal dploy (pas de la maille, largeur de lalanire, ... ) et l'cartement des grilles sont fonctionde l'intensit de la circulation initiale l'entre dubassin et des conditions hydrauliques, hauteurd'eau et dbit.

Indiquons galement que la mise en place desgrilles (sur modle et ultrieurement sur prototype)ncessite un peu d'attention. Toutes dispositions20

mauvaises ou inverses des mailles des grilles enmtal dploy et toutes dissymtries des grillesl'une par rapport l'autre ne permettent plusd'empcher la formation du vortex, en raison mmedu processus qui a permis d'en raliser la sup-pression.

Rappelons enfin que ce dispositif limine gale-ment les mouvements tourbillonnaires non ars(mouvements d'ensemble sur la surface libre, tor-ches et mouvements de rotation sous la tulipe, ... )et permet la rgularisation de l'coulement avecune perte de charge ngligeable. Il prsente enoutre l'avantage de ne pouvoir tre colmat parles impurets de l'eau, puisque l'eau ne traversepas les grilles. Il a dj t install maintenant dansde nombreuses installations o il a, avec une effi-cacit totale, donn des rsultats conformes ceuxobtenus sur modle.

6. Similitude des vortex

6.1. Remarques prliminaires.Le problme de la similitude des phnomnes de

vortex est trs complexe et dborde du cadre gn-ral de l'enqute. Mais il apparaissait intressant deconnatre les conditions de similitude adoptes parles laboratoires lorsque, le cas chant, un modleavait t ralis et les comparaisons prototype-modle efl'eetues.

De telles comparaisons sont d'ailleurs indispen-sables pour vrifier les conditions de formation devortex et la valeur des dispositifs anti-vortex pro-poss.

L'aspect thorique du problme de similitude nesera pas voqu dans ce rapport. La question a taborde par plusieurs auteurs dont nous signalonsles tudes dans l'annexe bibliographique. Remar-quons cependant que, l encore, de nombreuseshypothses simplificatrices ont t ncessaires pourla ralisation des calculs.

6.2. Principaux critres.L'analyse thorique de la formation des vortex

dans une chambre de prise ne pouvant permettre,d'une faon gnrale, de dterminer les conditionsgomtriques imposer cette chambre pour viterla cration de vortex, il est de ce fait souvent nces-saire d'essayer de reproduire ces phnomnes surmodle rduit.

Toutefois, une difficult apparat immdiatementdans le choix de la similitude respecter pourreprsenter ces phnomnes.

Il est vident que les nombres de Froude, de\\Teber et de Reynolds doivent intervenir dans lasimilitude.

En ef1'et, la dpression initiale de la surface librencessite, comme dans tous les modles surface,libre o les forces de gravit sont prpondrantes,l'galit du nombre de Froude entre le modle et leprototype. Cependant, et pour des dpressions nota-bles du centre du vortex, les forces de tensionsuperficielles ne peuvent tre ngliges et il est cer-tainement ncess'aire d'en tenir compte en respec-tant le nombre de Weber. De mme la rotation en

bloc de l'eau vers l'axe central du vortex, lesconditions d'aspiration sous la tulipe de la pompeou vers l'orifice de prise imposent galement, puis-que les forces de viscosits prennent localement desvaleurs non ngligeables, le respect du nombre deReynolds.

A ces trois nombres de Froude, Weber et Rey-nolds, l'application de l'analyse dimensionnellepermet notamment encore de mettre en videncele rapport VD/r.

La grandeur r, qui figure au dnominateur, est lacirculation j'll. ds d'une particule fluide animed'une vitesse tangentielle Il, et dont le rayon decourbure de la trajectoire autour du vortex est l'.

L'action sur cette particule des forces centrifugespeut s'crire:

/l2 J{2 rFe = pdl' .dA "- = pdl'. dA -., (avec J{ = .--)l' l''' _TcLes forces totales d'inertie sont:

dVFi = pdl'.dA dt

Ainsi le rapport des forces centrifuges aux forcesd'inertie tant J{2ds/l'3VdV, soit du point de vuedimensionnel [K2]/[U] [V2], le rapport VD/r estdonc proportionnel la racine carre de l'inversedu rapport des forces centrifuges aux forcesd'inertie.

6.3. Impossibilit de la ralisation d'une similitudecomplte.

Une reprsentation en similitude complte d'unvortex sur modle parat donc impossible, car ellencessite le respect simultan de tous les nombressans dimensions prcdents.

En fait, pour la ralisation d'essais sur modle( une chelle gomtrique donne /..,), outre unemodification de la vitesse de l'coulement, on peutintroduire une v,ariation des caractristiques phy..siques du liquide utilis (viscosit dynamique,masse spcifique, tension superficielle,...). Ces modi-fications peuvent tre obtenues par variation de latemprature (qui entrane dans des proportionsassez diffrentes la modification des trois caractristiques prcdentes), par changement de la naturedu corps ou simultanment par ces deux oprations.

Le respect simultan des nombres de Froude etde Reynolds peut tre obtenu par modification dela viscosit cinmatique du liquide utilis ('par chan-gement de la nature du liquide ou par variation dela temprature).

La relation obtenue s'crit: /..,3 = [v]2.Le respect simultan des nombres de Froude et

Weber conduit la relation:/..,2 = [CI] [p]-l

Malgr le grand nombre de corps organiques,aucun ne semble devoir satisfaire (mme en modi-fiant leurs caractristiques physiques par des varia-tions de temprature) aux conditions prcdentes.C'est notamment le cas pour des variations assezgrandes de l'chelle linaire, car les variations decertaines caractristiques physiques sont assezlimites.

Il peut tre possible d'envisager d'introduire un


liquide superficiel auxiliaire, sur le fluide principal,de manire modifier la pesanteur apparente. Maiscet artifice risque d'introduire des phnomnesparasites annexes, notamment par le fait de rem-placer l'atmosphre ambiante par un liquide dontles caractristiques (viscosit, tension superficielle)sont diffrentes.

En outre, les conditions de similitude imposant ce liquide d'tre dispos sur le modle plusgrande chelle, ce liquide devrait tre de densitinfrieure au fluide principal, non miscible aveccelui-ci et non volatil. De tels essais deviennent pra-tiquement irralisables.

Dans l'impossibilit d'obtenir une similitudecomplte, il est donc ncessaire de dterminer l'or-dre d'importance relatif des forces qui intervien-nent dans la formation du vortex, de manire pouvoir ngliger les plus faibles.

n est vident que l'ordre d'importance de ces for-ces dpend du but recherch dans l'tude, c'est--dire en dfinitive du critre de comparaison utilis.On peut adopter par exemple l'un des suivants:

conditions de formation sur la surface libre dela partie hyperbolique initiale de l'entonnoirdu vortex;conditions de dbut d'entranement d'air;frquence et dure des vortex ars pour desconditions donnes.

n semble le plus souvent judicieux d'adopter lesecond critre. En effet, ce critl'e prsente l'avan-tage de fournir le seuil de formation du vortex quiconditionne, en pratique, le bon fonctionnementd'une installation.

6.4. Similitudes proposes.

Dans l'enqute que nous avons ralise, peu delaboratoires ont indiqu les conditions de simili-tude adoptes. Les rponses peuvent cependant treclasses en deux catgories.

6.4.1. L'TUDE DES VORTEX N'krAIT PAS LE BUT PRIN-CIPAL DES ESSAIS:

Le modle (en gnral barrage de rivire) a tralis petite chelle. Au cours des essais, des vor-tex ont t observs et des dispositifs ont t instal-ls pour modifier les conditionnements d'enton-nement.

Ces essais de suppression de vortex ont donc teffectus dans des conditions de similitude identi-ques aux autres essais, c'es,t--dire en similitude deFroude.

n est dans ce cas impossible d'obtenir une opi-nion valable sur les conditions de similitude. Lorsde la :ralisation des essais, le dispositif anti-vor,texadopt est,en gnral et dans un but de scurit,d'une efficaci,t nettement surabondante, tout aumoins pour la 'suppression de l'entranement d'air.Des rsultats satisfaisants obtenus ensuite sur leprototype ne peuvent donc permettre de concluresur les conditions de similitude.

Lors de ces tudes sur modles, il est galementncessaire de remarquer que bien souvent destourbillons peuvent se former (avec le cas chantformation de vortex) si les conditions de tranquilli-sation l'amont ne sont pas parfaites et ne repro-duisentpas exactement un coulement identique au

21

J.-P. BERGE

prototype (ncessit de la ralisation d'un champ devitesses trs dtaill dans les deux cas). Des dissy-mtries initiales de l'coulement peuvent crer dece fait sur modle des tourbillons qui ne se seraientpas forms dans la nature, sur la ralisation del'ouvrage projet et rciproquement.

En outre, sur modle, et a fortiori sur les petitsmodles de grande chelle linaire, la turbulenceest relativement bien moins importante que sur leprototype et favorise galement de ce fait la forma-tion de vortex.

6.4.2. L'TUDE DE LA FOHMATION DE VOHTEX 1~'L\IT LEBUT PHINCIPAL DES ESSAIS:

Des diffrences assez nombreuses existent dansles critres de similitude proposs par les labora-toires ou par diffrents auteurs dans la littrature.Certaines peuvent d'ailleurs provenir du fait que lecritire de comparaison, non prcis, n'est peut-trepas le mme. Hemarquons cependant que souventla difficult du problme est signale sans qu'uneposition soit prise en faveur d'une similitude quel-conque.

Ont prconis de raliser les essais sur modlerduit

a) En similitnde de Froude :Allen et Taylor, pour un modle de prise en gale-

rie de dversoir de crue.

b) En similitude de Reynolds:Haindl, pour un modle de vidange de cuve

cylindrique. Dans cette cuve, il a effectu une sried'essais, compte tenu des rsultats de Einstein etHuon Li. Sur trois modles semblables, il a appli-qu successivement les conditions de similitude deFroude, de l'galit des vitesses modle-proto-type , puis les conditions de similitude de Hey-nolds. Dans ce dernier cas seulement, il a obtenula meilleure identit des courbes de submersion cri-tique, notamment lorsque le nombre de Heynoldstait obtenu en prenant pour vitesse, la vitesse del'coulement de l'eau dans le rservoir, et pourdimension linaire, le diamtre de ce rservoir.

D'autre part, entre ces deux conditions extrmes,nous devons signaler:c) Les travaux: de Camichel et Escande :

Pour les modles de vidange de chambre spirale,ces auteurs sont arrivs aux conclusions suivantes:

les dbits des vortex, en fonction de la charge,suivent la loi de similitude de Froude;les temps ncessaires la formation de la che-mine d'air centrale, partir d'un h initialhomologue, sont approximativement en simili-tude de Froude;la forme des veines et la formation de la chemi-ne d'air centrale ne suivent pas la loi de simili-tude de Froude.

d) L'article de Issalan :D'aprs A. IL Khalpatchian, il serait possible de

reproduire sur modle rduit des vortex en obser-vant les conditions de la similitude de Froude, condition d'introduire un coefficient correctif. PourIssakian, et dans le cas de l'coulement sous unevanne, ce coefficient ne serait fonction que du rap-port du rayon hydraulique la hauteur de l'orifice.22

e) Les travaux de [(olf-Stevens et Zielinsl :Ces auteurs, aprs avoir tudi l'coulement avec

formation de vortex travers des orifices horizon-taux, prconisent une similitude tenant compte durapport des forces centrifuges aux forces d'inertie.1') Les recherches de Vassilichin :

Vassilichin, aprs avoir tudi des modles devortex raliss dans des chambres ayant la formede spirales, a montr qu'il est ncessaire de tenircompte dans la similitude des vortex, non seulementdu nombre de Froude, mais galement du nombrede Heynolds. Il a introduit pour cela le nombre sansdimension:

(rapport du nombre de Heynolds au nombre deFroude) et, en dterminant exprimentalement lecoeflicient de dbit cp, il met en vidence que lacourbe cp = log TC est constitue de deux portions dedroites groupant tous les rsultats des essais deplusieurs modles, dont un essai avec une modifi-cation de la viscosit du fluide tudi. La premireportion de droite correspond des vortex nonars, la seconde des vortex ars. Cependant cesrsultats semblent assez discutables, car Vassili-chin, ne faisant varier qu'une seule dimension dela spirale, n'a obtenu ces rsultats que lors de lacomparaison de trs petits modles (hauteur duplan d'eau sur le plus grand modle :30 cm, sur leplus petit modle :3,75 cm).g) Les recherches de Polikovski et Perelman :

Ces auteurs, aprs avoir galement critiqu lafonction de Vassilichin et indiqu qu'elle ne pou-vait tre rgulire, ont efi'ectu sur leur modle decuve cylindrique, possdant un orifice central devidange, des essais dans lesquels ils ont fait variertous les principaux paramtres.

Ils recommandent de raliser une similitude locale des vortex d'aprs Heynolds tout enconservant le nombre de Froude pour l'ensemblede l'coulement.h) Les tudes effectues sur des modles de stations

de pompage avec aspiration verticale (lversen,Fraser, Denny, Young, Markland et Pope) :

Iversen 'a montr que des vitesses sur le modle,hases sur le nombre de Froude, taient bien tropfaibLes pour donner des rsultats quantitatifs etpermettaient uniquement, par l'observation deslignes de courant, de dterminer les rgions de for-mation des vortex.

Fraser a mis le premier l'ide que des rsultatsacceptables pouvaient tre obtenus en ralisant surle modle les mmes vitesses que sur le prototype.

C'est un rsultat semblable que Denny et Youngont t conduits. Pour une chelle linaire 1/5,des vitesses modle-prototype gales permettentd'obtenir, aux fortes vitesses, des submersions cri-tiques homologues. Aux faibles vitesses, la corres-pondance est moins bonne. Ce rsultat n'a cepen-dant pas reu de justification thorique et, de cefait, les auteurs recommandent d'appliquer cettecondition de similitude avec prcaution.

C'est par une conclusion semblable que Marklandet Pope terminent leur article.

Remarquons enfin que dans une tude trsrcente et partir de travaux de Einstein et Huon Li(efIectus dans le cas de la vidange d'une cuvecylindrique par un orifice central) G. HoltorfI aobtenu des rsultats thoriques en accord avec lesconsta tations prcdentes.

Au-dessus de l'orifice de rayon 1'e il est ncessairede prvoir, pour cet auteur:

une similitude dans le domaine l' ~ 1'e ncessairepour comprendre l'influence dcisive de la go-mtrie sur le moment cintique;une similitude dans le domaine l' :(; 1'e utile pourgarantir dans le domaine une forme de tourbil-lon conforme celle de la nature.

Ceci pose une grande diflcult d'exprimentationdu fait de deux conditions difIrentes pour lemodle rduit pour un problme exprimental uni-

. if- chelle linaire} " 1/4Modele Lrnear sca/eModel Hauteur du plcn d'eaU} '" 40 cm

Depth of woter

6/ Etalonnage d'un modle de vortex. Frquence horaire ctdure movenne de formation d'un vortex sur le modle.Rsultais' exprims en grandeur nature.Calibration of a vortex mode!. llollrly freqlleney andaverage model vortex formation lime. Results expressedto J'eal-life seale.

que, et ncessite le recours aux rgles exprimen-tales pratiques.

6.5. Principaux rsultats obtenus au centre de Chatousur la similitude des vortex.

6.5.1. COMPAHAISON MODLE-PHOTOTYPE.Au cours d'Une tude de suppression de vortex

sur modle, nous avons profit de l'existence du pro-totype pour comparer dans les deux cas les condi-tions de formation des vortex.

Comme il tait impossible de faire varier le dbitd'aspiration sur le prototype, les phnomnes devortex ont t caractriss par les deux grandeursmesurables suivantes : la frquence de formationet la dure moyenne des vortex. Ces deux grandeursont galement t mesures sur le modle, dontl'chelle linaire 'A = 1/4 avait t choisie suffi-


samment grande pour reprsenter le plus correc-tement possible les phnomnes d'entranementd'air.

Nous avons donc obtenu deux valeurs pour leprototype et, sur le modle, deux courbes, en fonc-tion du dbit.

Pour une chelle linaire donne, l'chelle destemps n'est fonction que du dbit ralis sur lemodle. De ce fait, les rsultats prcdents expri-ms en grandeur prototype ont t traduits enfonction de l'chelle des temps (fig. 6).

Le report sur les courbes modle des deuxvaleurs (moyennes des rsultats) obtenues sur leprototype, met en vidence les deux valeurs de 0,20et 0,21 de l'chelle des temps permettant d'obtenirdes rsultats homologues avec ceux du prototype.

La concordance entre les deux rsultats constitueune excellente prsomption en faveur de l'exacti-tude de la valeur "t" = 0,20 de l'chelle des temps.

Il y correspond la valeur E = 'AI" = 5/4 del'chelle des vitesses, trs lgrement suprieure celle propose par Denny.

Remarquons cependant que cette mthode, seulepossible dans le cas prsent, reste peu prcise. Il esten effet diflcile au cours du mouvement gnral derotation de l'eau, de dterminer sur un prototypele dbut rel de l'entranement d'air quand il nepossde pas de parois verticales vitres.

6.5.2. ETUDE EXPIUMENTALE DE LA SIMILITUDE DESVORTEX.

A la suite des essais prcdents, il tait intres-sant de connatre avec beaucoup plus d'exactitudeles conditions de similitude des phnomnes devortex, notamment dans ce genre d'installation ola formation de vortex est la plus gnante. Le casretenu est donc celui, rencontr souvent en prati-que, des stations de pompage avec aspiration verti-cale ascendante au moyen d'une pompe plongeantdans le bassin.

De trs nombreuses difficults sont immdiate-ment apparues. Tout d'abord l'impossibilit demener bien l'tude thorique du problme en rai-son de la double instabilit spatiale et temporelledu vortex. Lieu et frquence de formation, dured'existence et d'aration, chemin parcouru sur lasurface libre sont excessivement variables et aucunequation thorique ne traduit ces phnomnes.

De ce fait, l'tude exprimentale des conditiomde similitude restait la seule possible. Ces conditionspouvaient tre dtermines partir de l'examende la formation de vortex sur des modles sembla-bles, mais d'chelles linaires assez diffrentes.

Aprs une srie d'essais prliminaires, dans lebut de dterminer les dimensions minimales dupetit modle, il est apparu ncessaire de trouver unprocessus exprimental permettant de caractriseravec prcision un instant quelconque un vortex,de la dpression initiale sur la surface libre l'entranement d'air.

Les difficults essentielles ont encore rsid dansla double instabilit spatiale et temporelle du vor-tex. Les mthodes directes de relev du profil del'entonnoir (pointes limnimtriques, prises de pres-sion, ... ) ne pouvaient tre retenues, en raison desdplacements incessants du vortex sur la surfacelibre et des modifications que l'introduction de ces

23

J.P. BERGE

1/Tache caractl'risant chaque instant l'volution d'un vortex.ContinzlOlls /Jortex deuelopment observation bU the spotmet/zad.

instruments, mme mi-niaturiss, apportaient l'coulement.

Pour ces raisons, seu-les des mthodes optiquespouvaient tre envisa-ges. Parmi ces mtho-des, une dterminationphotographique de la for-me et de la longueur duvortex ne pouvait tregalement retenue, l'er-reur tant trs impor-tante dans le cas de fai-bles entonnoirs.

En dfinitive, un vortexa t caractris par lavaleur de sa circula-tion, c'est--dire par laforme plus ou moins va-se sur la surface librede sa partie hyperbolique laquelle la circulationest directement relie.

La mthode des rayonsrfracts, imagmee auCentre de Chatou en 1960pour cette tude, permetd'obtenir le rsultat cher-ch. Elle utilise le phno-mne optique de forma-tion d'une surface caus-tique lors de la dviationde rayons lumineux aupassage de la surfacedioptrique de rvolutionair-eau de l'entonnoir duvortex. Il suffit de mesu-rer le diamtre de la ta-

AspirationSuction intake

Trac thoriqueTheoretica/ curves

__ Courbes Q = f (fl pour H = Cte0= frr; for constant H

/5 cm,Il cm20 cm25 cm30cm.34cm .

e 37cm

(') Arcriotl

Points exprimentauxTest points

l.ol--+_~'rl*--,-Tt--__,__::r-t+7"'H-t--+_-+--+_-+--,--+---,--+----__i

2,oH--,---t,-T-T-H*-+_-+-T.-__-t---,-+.z-__-+--,--+---+-,-+->~__I

O,5I----+---r7T'-7"'-'----t---+_-t--+_+_-t----+-+---__-+-+---+--+--,--+--+-__i

r

cQ)

~ 2,5H-----i---++-+''-L+_H''--'--+_--+---,-",:J?--++-..:----+------l-

a

8/ Vortex Q = f (r) pour H = constante. Vortex Q = f (r) for constant H.

24


Hauteur critique (dbut d'aration)Critical head (inclpient aerationJ

9/ Vortex. (H.Q) Icirculation constantc.Yortex. (Tl.Q.) for constant circulatioll.

...... . ... ......-.-

j "j' ... ]="

' ..-.' L l': l-f 1 .. .._~-, :

. !r :

, ! , ; , lr i , : I--~T ! ,1

; . ' , le..

'-f ; :: .- r, , ,

, r:

.

,.

,

r

' ':

,

. ,r ,

1 .. --.r

,

l--r -. .,

, , ,. ,-

.

1 rT , ,',", ,

.

i i 1-......

, ,.' ..

,,

1

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5Q en 1/5 - 0 in litres /second

..

..

..

_..-

1

15

10

o

5

Eu

c"'30:r

che circulaire sombreconstitue par l'intersec-tion de la surface caus-tique avec le radier de lachambre, au pralablegradu (Cf. fig. 7). Detelles mesures peuventtre effectues partir demthodes cinmatogra-phiques d'enregistrement.

Cette mthode prsentel'avantage de pouvoirtablir, par des essais,une correspondance !Cn-tre la valeur de la circu-lation autour du vortex(dtermine partir dudiamtre de la tache), lahauteur d'eau dans lachambre et le dbit d'as-piration de la pompe.

Ces essais ont t djraliss sur le petit mo-dle (appel chelle 1/5),dont les caractristiquessont preises sur la fi-gure 8. Cette mme figurefournit galement lespoints exprimentaux desrsultats des essais rali-ss dans le eas paI'ticu-lier C/B = 0,5. D'autresvaleurs de ce rapport ontt galement tudies.Nous prciserons ci-aprsen remarques le mode dutrac des courbes de cepremier rseau.

A partir de ce premierrseau, on peut en d-duire, par transposition,le rseau de la figure 9sur laquelle nous avonsport la courbe de hau-teur critique f (Q, He>de dbut d'entranementd'air.REMARQUESSUR LA SIMILITUDE.

Pour dterminer exprimentalement les crit-res de similitude, il serait ncessaire de pouvoircomparer sur deux modles semblables, maisd'chelle linaire diffrente, les conditions de for-mation des vortex.

Dans ce but, un second modle avait t prvu,d'chelle linaire 1 par rapport au petit modlecit prcdemment. Ses caractristiques (hauteurd'eau 2 m, dbit 300 Vs environ) auraient eul'avantage d'tre semblables celles de nombreusesinstallations existantes.

Toutefois, en l'absence de ce grand modle, dontil n'a pas t encore possible d'effectuer la construc-tion, nous pouvons dj formuler les remarquessuivantes:a) Supposons que les points exprimentaux indi-

qus sur la figure 8 ne proviennent pas de rsul-tats obtenus sur un mme modle, mais sur des

modles difi'rents, d'chelle linaire . Dans cesconditions, il est ncessaire cependant de remar-quer que les dimensions gomtriques des cham-bres et du tuyau d'aspiration sont restesinchanges en passant d'Un modle un autre.Seules ont vari toutes les conditions hydrau-liques.

Il est difficile d'valuer les erreurs introduites parces hypothses, mais lorsque le vortex se formeassez loin des parois, il est probable qu'elles res-tent assez faibles et ne masquent pas de par leurimportance les phnomnes recherchs.

Dans ces conditions de raisonnement :A partir d'une courbe H = Cte de la figure 8,

tracons en similitude de Froude les autres courbescor~'espondantaux valeurs des plans d'eau pour les-quels les essais exprimentaux ont t eff-ectus.Rappelons galement que le processus mme des

25

J.-P. BERGE

essais (pour H et Q donns, dtermination partirdu diamtre de la tache de la valeur maximale dela circulation qu'il est possible d'obtenir dans cha-que cas) ncessite de ne considrer que l'enveloppeextrieure des points exprimentaux).

On constate que les courbes obtenues en simili-tude de Froude peuvent trs bien reprsenter lescourbes enveloppes des points exprimentaux.b ) Avec des hypothses similaires, supposons

(fig. 9) que la partie infrieure de la courbe desconditions critiques de dbut d'entranementd'air corresponde un modle, tandis que lapartie suprieure correspondrait un autremodle.

En tenant compte du rapport 2 des sectionsentre les tuyaux d'aspiration de ces deux modlesd'chelle linaire , l'chelle des vitesses permettantd'obtenir la similitude des conditions du dbutd'entranement d'air serait de l'ordre de 1,1-1,2.

Ainsi il apparat deux rsultats :les conditions de formation sur la surface librede la partie hyperbolique suprieure de l'enton-noir du vortex seraient bien cn similitude deFroude;les conditions de dbut d'entranement d'airdans la prise seraient en similitude si, au mini-mum, l'galit des vitesses modle-prototypetait ralise.

Bien entendu, il serait dsirable de vrifier cesdeux rsultats sur le modle de grande chelle.

Notons enfin que le rapport r'/r de la valeur dela circulation l'entre du modle la circulationdans la zone irrotationnel1e du vortex a t trouveconstante et gale au rapport 3/2, quelle que soitla dissymtrie ralise l'entre du modle.

7. Conclusion

Dans le prsent rapport, nous avons essay derunir les donnes exprimentales pratiques pou-vant permettre, lors de toute tude d'coulement odes phnomnes de vortex risquent de se produire:

d'viter dans la mesure du possible cette forma-tion (influence des ditrrentes limites gomtri-ques sur les conditions d'apparition du vortex) ;de supprimer ces phnomnes de vortex, lesautres anomalies d'coulement (bulles, tor-ches, ...), et d'une faon plus gnrale les mouve-ments tourbillonnaires l'entre des orifices desuccion (diffrents dispositifs anti-vortex et des-cription notamment du dispositif de grilles lat-rales en mtal dploy);de connatre les rgles de similitude observerpour la ralisation d'un modle, permettant decontrler si des vortex peuvent se former, etdans ce cas, de mettre au point et de contrlerla validit du dispositif anti-vortex adopt.

Nous tenons remercier vivement les Socitsou Laboratoires qui ont rpondu notre enquteet grce auxquels il a t possible d'tablir les fichesd'informations j ointes en annexe, aprs la biblio-graphie.

Il reste nanmoins qu'une telle tude n'est jamais26

complte. Nous souhaitons que la diffusion de cerapport favorise le rassemblement de nouvellesinformations sur ce suj et et permettent ainsi decomplter cette tude.

8. Discussion du rapport par laSection Machines

Au cours de la discussion, trois points ont tnotamment voqus concernant l'influence de larotation de la pompe sur la formation du vortex,la corrlation entre les mouvements de rotationmodle et prototype, les diflicults d'une dtermina-tion de la similitude des vortex dans un cas gnral.

En ce qui concerne le premier point, il a t pos-sible de reproduire sur le modle des vortex sem-blables ceux de la nature sans installer de modlede pompe la place de la pompe prototype. De plus,mme pour des pompes induisant une forte pr-rotation, l'influence de celle-ci sur la formation duvortex doit rester faible (sauf peut-tre au dbitnuI), car elle reste trs localise et beaucoup moinsimportante que le moment cintique cr par lesconditions d'alimentation.

La corrlation entre les mouvements de rotationmodle et prototype est rendue dlicate, car le vor-tex peut tre galement la consquence d'une insta-bilit dans un coulement symtrique. Cependant,que le vortex soit d une dissymtrie ou uneinstabilit, il pourra tre supprim par les mmesmoyens. Il faut toutefois remarquer que des condi-tions incorrectes de rugosit dans la partie amontdu modle (ceci tant surtout valable pour de fortesvaleurs du rapport de similitude) peuvent faciliterla cration de vortex sur le modle qui n'appara-tront pas dans la nature.

La difficult d'une dtermination de la similitudedes vortex dans le cas gnral, confirme par lesremarques prcdentes, ressort galement du nom-bre important de paramtres susceptibles d'interve-nir dans leur formation. En fait, il faut choisir l'avance l'aspect du phnomne auquel on s'int-resse (dbut de formation, entranement d'air ... ) eten consquence, en dduire les paramtres essen-tiels prendre en compte.

Bibliographie sommaire

Principales tudes effectues actuellement sur les phnomnes devortex dans un liquide surface libre.

ACKEHS (P.) et CHUMl' (E.). - The Vortex drop. Proceedingsof the Institution of Civil Engineers, vol. 1G (aot 19GO).

ALLEN (J.) et TAYLOI\ (G. A.). - A note ail free vorticesohserved in scale mode! tests of a hellmouth overflowspillway. P]'oceedings of the Institution of Civil En-yineers, vol. lO (juillet l!)58).

13ENFHATELLO (G.). - 11eerea sperimentale su scarichi apozzo avent! imhoechi di forme speciali. L'Acqua, nO 3(mai-juin 1%2).

BEHGE \.J. P.) .et LABETOUILLE (.J.). - Suppression des vortexdans leschamhres d'aspiration des pompes de circula-tion de la eentrale thermique de Greil-Sainl-Leu. LaHouille Blanche, nO 13 (1958).

BqtGE (.J. P.). - Suppression de l'entranement d'air pal'vortex dans quelques cas particnliers. Le Gnie Civil(15 dcembre 1959).

BEIlGl; (J. P.). - Etat actuel des reche.rches sur les vortexdans un liquide surface JUll'e. C.B.E.C., dpartementL.N.H. (16 dcembre l\)(jO).

BEIlGE (J. P.). - Etude des phnomnes de vortex dans Ull'liquide surface libre. Mthodes optiques exprimen-tales d'tude. Bulletin du C.R.E.C. (no 13, octohre 1\)65).

BERGE (J. P.). - Etudes de vortex. Diffrents rapports.C.B.E.C., dpartement L.N .11. (de 1957 1964).

BIESEL CF.). - Bllexions sur les vortex de vid,ange. LaHouille Blanche, nO 4 (aot-septemhre 1955).

BINNIE (A. l\!.) ct l-IOOIW\GS (G. A.). -- Laoboratory experimentson whirpools. Proceedinys of the Royal Sociely, Srie A,vol. 194 (1948).

BLAlsnELL CF. IV.). -- Hood inlet for closed conduit spill-ways. Proceedinys of the American Soc. of Civil En[J. :Hydrell/lic Division. vol. 86 (mai 1960).

BONNIN (.L). - Becherche d'une similitude des vortcx. Publi-cations S.E.H. (aot 1960).

BOUGHTON (N. O.). -"- Laboratory studies on the use of si-phons and vortex chambers fO'r the inclusions of airat secondary intalws. 8' Congrs de l'A.I.B.H., Montral1959. Publication D.5.

CAMICHEL (C.) et ESCANDE (L.). - Sur la similitude des VOI'-tex. C.RA.S., tome 1!J4 (21 mars 1932).

CAMICHEL (C.). -- Sur la dtermination des vitesses dansles liquides. Revue y,'nrale de l'Electrici/, tome VI(22 novembre 1!J19).

CAMICHEL (C.) .et ESCANDE (L.). -- Similitude hydrodynami-que des modles rduits. Chap. VI : Hecherches sur lesvOI'tex. Publ. Scient. et Techn. Ministre de l'Air, nO 127.

CAMICHEL (C.), ESCANDE (L.) et CRESCENT (S.). -- Les vacua-teurs de crues il galeries souterraines. La Technique2lJodeme, tome XXV, n 13-14-15 (19:13).

DENNY (D. F.). -- An, experimental study of air entrainingvortkes in pump sumps. The Clwrtered Mec1wnical En-yineer, vol. 2, nO 8 (1955).

DENNY (D. F.). - An experimental study of air entrainingvortices in pump sumps. Proceedin[Js of the Institutionof Mec1wnical En(Jineers, vol. 170 (1956).

DENNY (D. F.) et YOUNG (G. A.). --. The prevention of vorticcsand swirl at intakes. 7 Congrs de l'A.I.B.H., Lisbonne1!J57. Publication C.l.

DOUIONE (A. S.). - Evacuateurs de blocs de glace par vortex.Travaux hydrauliques, n 3 (1!J53) (en russe).

DUMITRESCU (D.), IAMANDI (C.) et IANCH (C.). - L'instabilitde l'eoulcment dans les chambres d'aspiration. SocitHydrotechnique de France, VIII" .Journes de l'Hydrau-lique, Lille 1964.

E:INSTEIN (H. A.) et HUON LI. -" Steady vortex no\\' in a reallluid, Proceedin(Js 0/ Heat Trans/el' and fIuid Mec1wnicslnstitute (1 !J51).

EINSTEIN (H. A.) et HUON LI. .- Vortex motion in viscousfluids studied in apparatus consisting ofconcentric glasseylinders. Civil En[Jineerin(J (septembre 1953).

EINSTEIN (H. A.) et HUON LI. .- Le vortex permanent dansun lluide rel. La Houille Blanche, n 4 (aot-septembre1955) .

ESCANDE (L.). - Remarque SUI' les vortex pouvant existeren tte dcs vacuateurs de ,crue galerie souterraine.Complments d'hydraulique, Ir

W>00

ENPE'J.'E VORTEXCatgorie 1 - Vidange pax gravitClasse A - Prises ordinaires

1 - A - 1 VIDANGE D'UN CANAL DE LABORATOIRE

a) Caractristiques principales de l'installation :- la chambre est constitue par la partie aval d'un canal de section carre de 0,80 ID

et 12,30 m de long,

- 2 prises, dont l'une (prise nO 1) sert . l'alimentation d'une turbine Francis (chutenette: 4,4 m - Sens trigonomtrique), l'autre (prise nO 2) la vidange gravitaire,

ENPETE VORTEXCatgorie 1 - Vidange par gravitClasse A - Prises ordinnires

l - A - 2 - Bassin de cornpensntion de la. Mn..yn AralIa

a Ca..ractristi ues rinci ales de l'installation- une seule prise 2,4 ID- hauteur dl eau au-dessus de ln prise 2,3 . 6 m ,- dbit = 12,6 .,3/s.

!-:ulllI1'1'1::aQ1'1

.,;

COUP E B

COU PEe

!b~-22Zb/

If 2,40

le~ permonent

Vldonoe ,,0,90

......... VOI

r Bi

1'--B

PLA Nr C1

EC

b - Schmas ,

c - Renseignements :

- vortex sur la surface libre, avec entrnt.nement d1nir ,- hhelle linaire du modle : 1/6- chelle des dbits: 1/27,2- dispositif anti-voriex constitu par un tran horizontal au-dessus de ln prise, ct un

cran veriicnl dans le chenal d'alimentation de faon repousser autant que possible enamont la. fonnation de vortex,

- les cntrat.nements d1o.ir jusqu'. 10. prise ne paraissent plus . craindre,- installation non encore en service.

AL._~

a~

a

~IAl.IMENTATION -

SANS DISPOSITIF ANT1~VORTEX

h au-dessus de chaque prise (fonctionnement spar) :prise nO 2 = 1,10 ID

- hauteur IIRXinnle dl eauprise nO 1 = 1,24 m

- dbit maximum de chaque prise fonctionnant sparment :prise nO 1 = 165 lis prise nO 2 = 300 lis

b) schmas :v UES DE DESSUS

ELEVATION COUPE

c) Renseignements complmentaires- Dans les conditions indiques en (a)

prise nO 1 (turbine) : 1 vortex a.vec entratnement d'air, trs stable, avec de trs courtesinterruptions de quelques dizaines de secondes, dplacement irrgulier dans le sens inverse(repre A)prise n O 2 : 2 vortex phmres sans entratnemeni dl air (repre B)

- Dispositif anti-vortex constitu par un I..sque en tle recourb aux deLL'X extrmitsinclinaison de la MIe de 28 - Efficacit totale.

"

Socit (ou Laboratoire) ayant fourni les renseignementspermettant la rdaction de la fiche

Ecole du Gnie RuralAvenue du 1faine _ y;yo -(M. CAHLIER)

Socit (ou Laboratoire) ayant founll les renseignementspermettant ln. rdaction de cette fiche

Laborntoire dl Hydraulique de l'EcolePolytechnique de l'Universit deLAUSANNE (11. Ed. 1lEC0RDON)

ENQUETE VORTE>~Catgorie l - Vidange pur grn.vi tClasse A - Prises ordinaires

EN UETE VORTEXCatgorie l - Vicla.nge par gravi tl)Classe A - Prises ordinnircs

l _ A - J - Bassin de compensation de Dodmcn Zcmo.tt

El - Caractristiques principales de l'installation:- prise d 1 ceu incline avec coulement en churge partir dlun certain niveau,- section de la, prise:;:: j1 ;::: 1,35 m J- ,1bit de la prise: 8,2 m3/s.

b) schmas

l _ A - 4 : Amnagement hYdro-lectrique de ln. Basse-DurancePrise d'eau de l'usine de Salon

il - Caractristigucs principales de l'installation:- retenue sur le canal e drivation de ln. Basse-Durance avec 3 prises d 1 alimentation en eau

des diffrents groupes, vOlmcs de viange de fond et till d6vcrsoir latral de scurit,- dbit de chaque prise : 83 m3/ s- hauteur d'enu pouvant vnrier de 11,00 fi . 12,75 m au-dessus du radier.

IoCmroZ()Im---zo

.....

......

(0a>a>

;1"

" j1 1", '1Suppressi0n 1de,'l'angl,.' m'art 1,l' 11 1, 1 1

,,/ ,/ /

N

culerive droi~e

A

1

t::::;J~

coupe 1-1

Renseignements compl6mcntnires

b - Schmas :

- fonnntion de vortex sur la prise RD, en raison des fomes dissYJlliStrique9 des bajoyerslatra.ux de cette prise,tude sormnaire sur un modle, non 'prvu initialement cet effet, d1chclle linaire 1/30 ,

- suppression de ces phnomnes sur le modle en rendant des formes sJ'lTIctriques, par rapporta.ux. ll-"

E;-'H}JE]'E VORTEXCatgorie 1 - Vidange par gravitClasse A - Prises ordinaires

EN(DETE VORTEXCatgorie 1 - Vidange par gravit,SClasse B - Siphons _

-1 - A - 7 - BARRAGE SUR LE RIO MAYO (Colombio) l - B - 1 - CE.'iTRALES ELECT1U QUES HE1lWEG Ii ET III A A.\ISTF1UlAM

a - Caractristiques principales de l t installation :- prise dl eau en amont d' tU1 barrage .- Muteur dt eau au~essus de la prise = de 3 8 m- dbit de la prise 12,5 m3/s

a - Cnrnctristi(jues principales de II installation :- 2 prises par siphon~: dans une conduite d'alimentation- diamtre de passage de l'couleInt 16 = 200 rrm- hauteur dl eau au-dessus du radier;::; 0,25 . 0,060 fi- dbit de chaque prise = 0,060 m3/s

b - ScMlllIls b - SchOl!ls :

VUE EN PLAN

~1~CD0)0)

:r:ocmlJJZo:r:f!!zo

WaterloopkW1dig LaborntoriumD1'LFr ,(11. S.E. PRINS)

ELEVATION COUPE A

IlPLAN

IlO.GOI/.

r--~~~~;i\1--

- Vortex permanent pour une hauteur H = 0,30 m ( l ou II ou l + II)- Vortex non permanent pour Wle hauteur II ;::; 0,36 m (1 ou II ou l + II)- Suppression des vortex par approfondissement du fond du canal et enfoncement de ln.

base de la. tulipe de 17 cm- Etude sur modle l'chelle linaire 1/4,6 (similitude de i'roudo)

c - Renseif.{Ilements complmentaires :

~Llli --'--qtt'tl1 i i i ! i i1 i ;ALIMENTATION

Socit (ou La.boratoiro) ayant fourni les renseignementspermettant ln rd:lction de cette fiche

.~.~.OI,50

Institut Hydraulique del'Universit do GAND(Prof. L.S. TISON)

ELEVATION COUPE A

-fTl 1 _.J

Essais raliss au cours d 'troe tude de barrage (rosion, dessabla.gc} ... ) 116chellelinaire de 1/33,3 (similitude de Froude)

c - Renseignements cOmplmentaires

- Formo.tion nssez importante de vortex, entro,tnant do l'air" danS la conduite force (formationfacilite par l t ouverture de la vanne RG) ;

- Dplacement de la prise dleau pour suppression de 10: zone d'eau morte, permottant la dimi-nution de la frquence de fonmtion du vortex et la suppression de Il entra1nement d' air etde ce fait de celui des matrialL"C dans la prise.

Socit (ou Labor:ltoire) ayant fourni le9 renseignementspermettant la rdaction de cette fiche

RIO MAYO

4.~.......

Co.:

r- 1 1~l\:)

ENQJETE VOR=Catgorie II - Vidange forceClasse A - Verticale descendante

Eli~'ETE VORTRXCaigoric II - Viange forceClasse A - Verticale descendante

:-:aIl1'1;UIl')1'1

II _ A 1 - EXPERIENCE AUX ATELIERS DE VEVEY II _ A - 2 _ PRISE D'EAU EN CANAL

fi - Caractristiques principales de Il installation:

- alimentation de la pompa on surface J par un dversoir de longueur 2 m- pompe 1/2 axial, hauteur de refoulement 10 m, sens trigonomtrique- hauteur dl eaU au-dessus de la base de III tulipe : 0,742 nI- dbit d'aspiration: 1-m3/s

0. - Caractristigues nrincipnles de l'installation_ prise dl eau (force) au centre dl une extrmit cl 'un cnnal rectangulaire,- dbit variabl c de 20 n 80 1/s ,- hauteur d'cau va.riable de 20 n. 120 cm.

b - Sch~mas :

b - Schmas : 120cm 1 I------.-----'---,---r -----T--~-~I--- -r----DISPOSITI F ANTI-VQRTEX

ELEVATION

~ 11

L-----r--YA""I"H'"/1 h: 50 cm

Avec grJllese~ 7ac

L----t-

1

1/1/

/

Il I/VIl V

{ 1 1ID

H 1

20cm ~ I~ 2'0 310 ~O sio 610 70 8~ 90 100 litres/sec_ 'i~"

40

GO

80

100

~

Melol dploy

r'~IW-d- -1-~e-:r

1 11 1l ,

-..L..-1

/:J.~\~-*1-8-+) l'\ '- ./ /

......... ./ ' -#--------4-0_

~-- ~

1" re--:LL11

~T~ -'"

.,.

....

....

.,.

//

c - Renseignements complmentairos :- Vortex non permanent, de Bens inverse, avec cntra~nement dl air ct gnrnlement localis

cntre mur et pompe . Le vortex n1apparaissr.dt que si la surface libre tait calme,- Dispositif anti-vortex constitu par lUle plaque de i:I 1 500 dispose sur ln base de la

tulipe - Efficacit totale.

c - Renseignements complmentaires :_ formtion importante de vortex - avec ou sans aration - J_ tude sur prototype ralise cn Laboratoire,

_ tude de l'influence de l'cartement des grilles du dispozitif de grilles lnt6rales enmtal dploy du Centre de Chatou,

_ clLTactOristiques des grilles tudies 7.6.20 (St Le Mtal Dploy, 6 rue Daru - PARIS)_ construction des courbes de hauteur critique dans 3 cas, montrant l'influence du dispositif

ot pennet,tant pour lUl cas' sir:rilaire dl installation ct compte -t;.enu des caractristiqueshydrauliques de dterminer l'cnrtement des grilles ponr tL'1 type donn de mailles.

Socit (ou Laboratoire) aynnt fourni les renseignementspermettant la rdaction de la fiche

Atoliers de Construct,ions Mcaniquesde VEVEY

(M.J. ORTLIEB)

Socit (ou Labor

ENQUETE VORTEXCatgorie Il - Vidange forceClasse A - Verticale descendante

ENQUETE VORTEXCatgorie II - Vidange forceClasse n - Verticale ascendante

II - A - 3 - C~scade du Trocadro - 1931II - B - Chambre d'aspiration des pompes d1C.puisement d'une forme

de radoub

....

1....

(0~

r:coCrrmOJrzo:c!!!.zo

pompes enserv

r;;;cuzn: VOR1'::\:C;},t(:;oric II _ Vian,~c forc60Clussc 13 - Verticale [lsccndn.nt0.

II - D - 2 _ STATI: DE l'Qii?AGE D,~ LI::W.\LL _ !lIVIER;.; OUSl; (rorlK3)n. - Cnrnct(Jri:=;tiqucs 1)l"incipnJcs de 11 inst:Lll~tion :- .La st::.tion cOr.IprcI1n.it 2 ~)Or;lpC~;- hautcl~r st.:rti(r~1r" 3,20 !",l J!':1

vi tesse 20 tlon 580 t/r.mdbit 650 Ils 1300 Ils

CI:>,j:o.

EN~"!jE'j'E VORTEXCat{:;~oric II - Vidancrc forcl.;(>Cln.s~c B - Vertica.le Q[;ccn,1nJ:te

II _ Il - 1 _ STA'l'IO~ DE P01U'AGE DE 1l0Lnl);E sen FEli

a - Ca.ractristiemcs principales do 11 installation :

- Installntion cOffil)rCnJJ..ll'L 2 poml)C5 verticales de caract(risti(IUCS(pour une hauteur d'cnu au-dessus du rndicr comprise entre 0,75 ct. 1,05 r;])- hauteur statique J, 95 m J, 95 fi- vitesse 20 t/r:m 580 t/r:m- Mbit 900 Ils 565 Ils

b - SchlilnfJ

b - SclH~;Jaso

13001'>o

6501/5

~:uID1'1::at:)1'1

FORMATION V ORTEX SANS TOlE

2 pompes en service _ d~_

o

~""

t

'----'E,6S06

oCl

G

---_.- --

------,

Plus bosses~

Plus hauleseaux

~-~=~~L

1)commencemenf vortex2)mox. vorlex

::.Q:,;i1',..

~

IL.J

Pompe 2 seule _ d ~~ou 2 pompes en serVIce

Pompe 1 seule

'"""-' >--'_ 900 ,900ri

c - Henscir~:nemcnts compll:men-Lail'e::> :- d{~s vortex ildportant.s sc sont. produits (bn5 le b

r:;,"lQUETE VORTEXCatGorie II - Viange fOl"eUeClasse D - Vertica.le ascendante

l;';~~ QlT':~TE VtTS:(Catc::eorie II - VidanGe forcf.!cClp.ssc 13 - Vcrt.icnlc nsccl1'-:n.ntc

Il - B _ ) _ POHPES DE DOCKS POUR CARDIFFa - Co,rnctristi_fJucs princinules de l'installation:

- 3 pompes du tYllC vertical h61icoccntrifu[;cs a.spirant sur w) cili dl un cflJ1nl (lui :l'VaL t t

e.:~

~C(JE'rB VORTEXCatgorie II - Vidange forcc:cClasse B - Ycrtic[l.lc ascendante

l~'QJE'l'E VORTL"I:Catgorie II, - Vidnngc forcdcClasse B - Verticale ascen[t.l."1ie .

:-:uID1'1'1:a~1'1'1

II _ TI - 5 : S'l'ATIOllS DE POMPAGE DES ECLUSlS DU GA'\ALDE LA 1LIilllE AU mlIN

II _ il 6: STATION DE POMPAGE

SOCIETE lTALLURGIUE DE NOR.\L\lillIE

Il. - Caract6rid,ic)llCS principa.les de l'installation :- nlirncntQ.tion Ifl~th'nle . partir u bief aval J- CIl un 1er stae, tille seule l,ompc est instn.ll()c,-' dbi t wlitaire thorique 1 m3/ s ,- Mutenr dl cau 1,60 m nu-dessus du radier

b - Schmas :

CL Caractristiaues principales de l'installation :- Chnrnbrc de forme rectangulaire Il surface libre, avec alimentntio::l au centre d'une face lat-

rale par un collecteur en charge,- actucllcr,lent ) pompes cn service (ln pInce dltme 4 pompe tant rserve ),- nombre et ordre de l)orn:res en fonctionnement essenticl1eJ:lent variables,- dbit unitaire de chaque pompe 220 1/s ,- hC'~t1tcur l enu v~rinble e 0,75 r.1 . 1,50 m.

Toles

.o,~Hiles perfores

A N

Toles

".

..:...\1\,/./'y/r< ...

00 !' / ,,-{.\\'\.....

~'/ ~~~< i.' j'JI \\>"'" -

F:iQVETE VORTEXCatgorie II - VidnllGC forcvcClasse B - Verticale a,..c;ccnd,wtc

;{i~'I!:ET]~ V',jtTi~:'~c,~:t>f.(lr:i C' Il - Vi.J,u~j:~c i.'Ol'C':C

CL~~;sC' LI - v0r-l,.:,iC;tlc .J.scoml-:'7ll'-('

II - n - 8 - praSE D'EAU SUl LE dIOXE _ !-.1-:TJD~'{

II _ li -' 7 - COMPlEXE CIIl:IICUE DE SAFI _ STATION m P.IPAGEEAU DE i,[ill

fi. - Co.rnct(~risti0uCS T)rincipnls de l'insinJ.lrt3;ioll :- prises multiIJlcI.i dtcau en rivi~:;.rc (cf SCh(;l:1.:."tG)- hauteur 1 cnu n.u-dessus c.1u radi.er : e 1, 05 h. 1, SO 11,- cl(~hi'ti (lr~ Chrt-CJ..1.H_' rrii)(~ == 125 l/sa - Cnractrist:!JLues principales de Il in~:;tull:1.tion

- chambre dl aspiration comportfl.Jlt :) p0I:JPes d' tul dbit de 220 1/s

ct ) pompes'd'un dbit de 1 500 lis- hauteur minir:m.lc du plan dl cau (lors des luS basses eaux) 3,15 \TI au-essus du l"acr

b - Sclu)mns :

oET~lL~J,"jI~~~_t.::EVAT,!~

SiTUATiON DE LA PRiSE

c - Renseianements complmenta.ires ._ Projet d'Ur.lIlD.gement anti-vortex par grilles en mtal dploy (dispositif LNll) prvu direc-

tement en marne ter.JPs que l'installation (les fomes et les fonds rocheux du site ne pcnt1et-tant dl nutre iIl:Iplantation de ln. chambre dl aspiration)

_ grilles en APS 20 A P01II!?ey mtnl dploy nO 26-20, s!lui nO 25.10 pour les plllques entreles pompes 220 l/s (Socit Le llotnl Dploy, 6 rue Daru, PARIS)

- installation en cours.

Maison llEftGERON _ PAlUSet Centre de Recherches d'Essai!;de CIL\.TOU -

Socit (ou Laboratoire ayant fourni les renseignementspcrmetto.nt l rdaction de la' fiche

r:r:oCrrmCDrzo:r:E!!zo

....

1....

ID0>0>

~~t'oI,i."ll""l",djJllj"Li-,-~.d ,d! ,l, 1

~.:-~_ 93.00

r~f"'~\--------- ~.. .. ....R "0/1 E ".'.''y '::

"""n..." cm

GdllaQ.'; ",alsaiD, ct corrcs-

l)ondnnt 1.111.0 chelle' des dbits 1/1420,_ dispositif nnti-vortcx con.:::-.;titu l)n.r un cran hori;;o:rtal (cf SC~J~;;'k1.) occurun:t toute ln.

surface de 1 f ensemble des prises d' cnu,_ insta..llntion cn cours de construction.

: Ecro" l>a,llo"lol

w00

ENQIJETE vornz:\:Cn"L{':c;orie III - Aut.res al10mrjcsClassa A - 'l'orc]lcs

III A - 1 : CIWilllU: DIASI'IllATION DES POW'ES DE CmCUL:\'l'IO;'DE LA C:::NTl'.i\l,E TliEill.II f1.iE DE C,IL SAINT_LEU

E\'}.iETE VO;:n'~~:\Cat[l:oric JI - Autres n.non.~licsClasse 11 - Dulles, tOl"C];CS .......

III _ B 2: CIL~.[BllE DI A5PIIl.\TION D'miE rO:,U'E DE CUClJLATIO:\DE LA CI;:n'llALE'i::l"II(U::~ DES XJ;:;j:i-liYLLB:i

'"';,~11'1::u1:)11'1

Q - Cnractrist- UN'; nrinci p',les de il installation cf fiche II_ll_-4} :- 2 pompes l'al' 1 2 chambre, avec alir.J.c:1tl1tion latrale pa..rtir de 2 pertuis,- en c~s tle n"k~ssii(l ",lir.lent. rd,'l.ction de cette fiche

Centre de 11echc.::c!lcs ct 1 Ess,-",-::.~;e CILI'l'OU


Abstract

A study of vortex formation and other abnormal flowin a tank with and without a free surface

by J.-P. Berge *

1. introduction.Quite pronounced eddy motion is apt to OCCUl' in certain hvdraulic structures when a transition occurs from

free-surface to pressure flow, and other abnormal flo"\v ell'ects . (especially vortex "streamers') are also observed,even in pressure flows.

Eddies on a free surface sometmes grow to the point of forming a kind of "funnel" or vortex at one point.Air is sometimes entrained in the central depression, amI when this happens, rotational speeds increase verysharply towards the vortex centre.

Such phenomena can be observed in orifice flows (tnnk drains, lock chambers, power tunnel intakes, flowunder agate, reservoir or river intakes, etc.) or in pumping plant, irrespective of the pump intake orifice design(Fig. 1).2. Aims of this study.

ln the absence of precise theories whereby the likelihood of vortex formation might be predicted for eachparti culaI' case, man y manufacturers and research laboratories undertake several research programmes every yearin an attempt to find a way of preventing vortex formation in dam water intakes in rivers or in pump intakechambers.

Conditions governing vortex formation not only depend on the hydraulic flow conditions (depth or head ofwater, rate of flow, etc.) and ambient conditions (especially fluid temperatures) but also on the chamber design(shaped intake or suction chamber). Ideal intake or suction chamber outlines cannot always be achieved, forcivil engineering and imperative cost requirements almost invariably make it necessary to put up with considerablemisalignment of the supply canal centre line and the intake or pump position, resulting in an appreciable kineticmoment and vortex formation.

The same types of test are repeated over and over again with the same imperfect devices such as floatingrafts, strainers, deflecting panels at various angles, etc., ulltil satisfactory results are finally obtained.

An attempt has now been made by"Socit Hydrotechnique de France" ("Machines Section") to collate theexperience of various manufacturers and laboratories for the common good. The three main points retained forconsideration in this study were the following:(ii Vortex formation conditions (and conditions for other abnormal flow eJrects, where applicable);(iO Anti-vortex devices;(iii) Vortex similitude.

The most characteristic special cases have been retained out of the replies reeeived (they are summed up in"card-index" fashion in an appendix hereto) so that manufacturers and laboratories may acquaint themselves notonly with the vortex formation conditions for such cases, but also with successfuI counter-measures. It is a goodthing to thus be able to avoid the considerable amount of costly trial-and-error work associated with the searchfor a solution, which may not even then be entirely satisfactory. lt is also thought the attached reference list tothe principal current research into the subject may be of interest.3. Vortex formation conditions.

Vortex formation depends on numerous parameters, notably hydraulic conditions (depth or head of water, rateof flow, etc.) and the geometry of the installation. By analysing information obtained, experimental data from theChatou Test Centre, and published data (see bibliographical reference list herewith) it has been possible to deter-mine tbe critical bead or depth of water above the bellmouth intake beyond wbich vortices no longer entrain air.

Especially in the case of vortices fOI'med by vertical rising suction flow, the tests have shown up tbe elrectof chamber geometry and-for example-variation of any of the following (Fig. 2):(i) Distance l'rom bellmoutb to floor;(ii) Distance l'rom the walls;(iii) Pump position in the sump;(iv) Bellmouth diameter;(v) Pipe diameter;(vi) Chamber intake width.

Other forms of abnormal now liable to appear in a water intake are also worth noting, for instance the for-mation of a vortex "streamer" underneath the bellmouth, with large quantities of bubbles (Fig. 3 and 4).4. Antivortex devices.

Contributors have drawn attention to numerous sucb devices, and references to others are found in publishedmaterial (see bibliographical reference list herewith). Most are designed to prevent air entrainment and do noteliminate eddies near the intake orifice, as would strictly speaking be desirable for ideal pump intake conditions.

This has led to the development of a special device consisting of lateral vertical expanded metal screens bythe Chatou Research Centre, which are positioned in the suction chamber parallel to the flow and symmetricallyto either side of the pump (or of the suction orifice in the case of a drain) (see sketches, Figs 5 a-li).

An expanded metal screen comprises a large number of identical diamond-shaped meshes which, seen in cross-section, appear as a series of parallel blades; to ensure efficient flow deflection, the "strap" of eacb such "blade'

* mectricit de France.

39

JP. BERGE

must be fairly wide. In addition, the longer mesh diagonal must lie parallel to the eddy vector, i.e. nearly alwaysvertical.

The lack of symmetry of this metal device thus enables lateral frictional resistance to any flow to be reducedto practically nothing in the normal direction of flow, Le. from the intake sluice towards the suction orifice. Thisresistance becomes very great (and the flow may be deflected) with the flow occurring in the reverse direction,as is invariably associated with eddy formation (Fig. 5 c). This being so, experience has shown that prouided thee.Tpanded metal screen lzas the requisite characteristics, vortex formation and 'streamer' effects underneath thebellmouth can be prevented completely by such screens extending over the full depth of water in the chamber.Visual observation then shows completely calm, steady flow throughout the chamber.

Suitable screen characteristics depend on hydraulic conditions (depth of water, rate of flo'"" etc.) and theinitial fluid circulation value at the chamber inlet. These can be determined accurately by scale model tests,but a rough solution to the problem can be based on established pl'actical solutions along the lines listed in the"card-index" herewith. (Slips lIB 4 to II B 7.)

As no flow passes, through the screens during normal plane operation, loss of head due to the device isnegligible; it was found to be weIl within normal experimental error on aIl the models tested.

Full panels in lieu of these screens do not eliminate the vortex, but if placed behind the screens (on theopposite side to the suction orifice) they do not affect their beneficial action, and aIl eddy motion is still eli-minated as before. This being so, vertical expanded-metal screens are able to inhibit vortex formation in suctionchambers of any shape.

A set of vertical screens facing in the direction of flow can thus be arranged by each suction orifice of anintake or in a chamber of any shape (examples are given in the appendix with the article). In the particularcase of tank-fed vertical pumps, an additional vertical screen is placed behind the pump and connecting to thetwo lateral screens, in order to prevent formation of

Documents

l Hb 1966001