Alain Cartellier (LEGI), Jean-Philippe Matas (LMFA), Martin Obligado (LMFL)
Un jet d’eau plongeant dans un bassin peut entraîner de l’air sous la surface libre. Cette situation se rencontre dans les infrastructures hydrauliques avec des impacts potentiels sur le rendement des turbines Pelton, sur l’oxygénation des milieux aquatiques ou encore sur la stabilité de barrages. La question de l’affouillement en aval de barrages doit d’ailleurs tenir compte de l’impact du changement climatique sur les évènements extrêmes (crues). Bien que les jets plongeants soient étudiés depuis plus de 50 ans, de nombreuses questions restaient en suspens. En collaboration avec EdF-CIH (Thèse de G. Guyot soutenue en 2019, Post-Doc d’I. Redor 2020-2022) puis dans le cadre de l’ANR JETPLUME (Post-Doc d’A. Jamois 2024), nous avons engagé des études fondamentales exploitant à la fois des expériences à petite échelle au LEGI (jets de 0.3 à 10 mm de diamètre, hauteur de chute ≈1 m) et à grande échelle au CERG (jets de 20 à 200 mm de diamètre, hauteur de chute jusqu’à 9 m) qui génère des jets d’allures variées.
Allures de jets sur l’installation grande échelle : D0 désigne le diamètre à l’injection, H la hauteur de chute, et la vitesse indiquée correspond à la vitesse liquide à l’injection.
Plusieurs résultats marquants ont été obtenus :
• Pour de petits jets, l’impact d’une oscillation latérale du jet sur la profondeur de pénétration a été quantifié (Guyot et al., CES, 2019),
• Un modèle prédictif de la profondeur de pénétration des bulles valide pour de petits et de grands jets (Guyot et al., PRF, 2020) a été établi. Ce modèle intègre l’allègement induit par les bulles générées sous la surface libre : cet allègement devient prépondérant pour de grands jets.
• Le modèle phénoménologique d‘Henderson et al. (1970) a été revisité. Nous avons montré que, pour des jets turbulents cohérents (i.e. non atomisés), le débit d’air entraîné est bien proportionnel à la vitesse du jet à l’impact multiplié par le périmètre du jet à l’impact multiplié par la déformation du jet évaluée comme l’écart type de la position latérale d’un côté du jet. Ce modèle s’est avéré valide pour les petits et grands jets, et sur une large plage de hauteurs de chutes (de quelques diamètres à plus de 100 diamètres) et de déformation du jet (Redor et al., CES, 2025 ; Jamois et al., ICMF, 2025). Le pré-facteur identifié pour les jets non aérés est de l’ordre de 2,8. Ce préfacteur est quasiment divisé par deux (coefficient ≈ 1,5) pour des jets aérés.
• Nos résultats fournissent aussi un débit d’air entraîné maximal ainsi qu’une estimation du taux de vide dans le nuage de bulle, deux informations utiles pour l’ingénieur.
Le projet se poursuit avec l’analyse des capacités d’érosion d’un jet plongeant en collaboration avec D. Colombet (LEGI) et A. Tengattini (laboratoire 3SR), avec un soutien du CNRS (Accélération@CNRS Ingénierie 2025).
Lien entre débit d’air entraîné Qair sous la surface libre et vitesse Uth, diamètre Dth et déformée du jet à l’impact.