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Entrainement d’air par les jets plongeants

J. BERARD, A. CARTELLIER, G. GUYOT, J.-P. MATAS, en collaboration avec M. PFISTER (EPFL) et M. RODRIGUEZ (CERG)

L’absence de données bibliographiques dédiées à des jets plongeants de grande taille, plus particulièrement leurs effets en terme d’entrainement d’air, à conduit EDF, dans le cadre de son projet d’augmentation de puissance de l’usine hydroélectrique de la Coche (Savoie), à mener une première série de mesures sur des jets de 10 cm de diamètre avec près de trois mètres de chute. Ensuite, un travail de recherche collaboratif entre le LEGI, le LCH (EPFL), le CERG et EDF (CIH), basé sur ces expériences, est né du besoin de comprendre le comportement de ces jets pour de multiples applications à des structures hydroélectriques ou des rivières (puissance d’impact, potentiel d’érosion, oxygénation de certains biefs, protection contre les crues, entrainement d’air et évacuation d’air).
Dans un premier temps, les résultats expérimentaux ont été comparés aux corrélations ou théories disponibles dans la littérature scientifique. Les quatre principales conclusions qui se précisent sont :

  1. L’état du jet à l’amont immédiat de l’impact est le paramètre prépondérant gouvernant les conséquences en aval de l’impact.
  2. Il est impossible dans le cas de ces jets de prévoir la longueur de brisure, ou l’état du jet en fonction de la hauteur de chute avec les seuls paramètres utilisés par les modèles existants.
  3. Les jets présentement étudiés ont une fréquence de battement de l’ordre de 1Hz avec une oscillation de l’ordre d’un demi diamètre.
  4. La longueur de pénétration du jet est mal comprise et les corrélations qui semblent les plus fiables donnent des résultats éloignés des mesures.

Ces constats nous ont donc poussé à mener en parallèle deux expérimentations. La première réalisée au sein du LEGI doit nous permettre de comprendre l’influence de l’amplitude d’oscillation du jet et de sa fréquence sur la profondeur de pénétration. Le diamètre des jets est compris entre 0.3 mm et 2.4 mm, pour des vitesses d’éjection de la buse comprises entre 2 et 20 ms-1. La hauteur de chute est de 20 fois le diamètre de la buse.
La seconde est réalisée au CERG, nous permet de réaliser des jets de grande dimensions. Le diamètre de sortie des buses est compris entre 2 et 20 cm. Les vitesses d’éjections sont comprises entre 2 et 30 m/s. La hauteur de chute est comprise entre 8 et 12 m. Le jet est réceptionné dans un bassin de 5 m de diamètre et de 5 m de profondeur qui se transforme ensuite en un bassin de 2.5 m de diamètre puis de 23 m de profondeur. Le premier objectif de cette manipulation, est de cartographier l’ensemble des états de jets. Puis nous tenterons d’isoler les paramètres pouvant déterminer les états de jet.

Illustration de la série d’expériences sur les jets oscillants :

Illustration de la série d’expériences sur les jets de grande dimension (réalisée au CERG) :

Jets oscillants