Études 3D EAU
Valider la conception d'une bâche de pompage par modélisation 3D
Problématique
Pourquoi valider la conception hydraulique d’une bâche de pompage ?
Une station de pompage mal conçue engendre rapidement des dysfonctionnements coûteux : colmatage, dépôts, désamorçages, usure prématurée des pompes, voire débordements en cas de pluie. Ces problèmes sont souvent la conséquence directe d’une hydraulique mal maîtrisée : vitesses mal réparties, zones mortes, vortex, ou mauvaise circulation des effluents.
Investir dans une conception hydraulique optimisée permet d’anticiper ces défauts dès la phase de projet. On garantit ainsi une meilleure fiabilité, une réduction des coûts de maintenance et une durée de vie allongée des équipements.
Comment valider la conception hydraulique d'une bâche de pompage ?
La modélisation hydraulique vise à reproduire le plus fidèlement possibles les écoulements qui ont lieu dans la bâche de pompage en simulant les conditions physiques en jeu (onde, vitesse, etc).
Modèle numérique ou modèle physique ?
La reproduction de ces phénomènes hydrauliques passe dans les deux cas par des hypothèses simplificatrices :
- Les modèles numériques cherchent à représenter le phénomène physique en résolvant les équations qui les régissent ; ces équations sont alors résolues de façon numérique. Néanmoins, dans le cas de phénomènes très complexes, ces équations ne sont pas forcément bien connues.
- Les modèles physiques cherchent à représenter matériellement l’écoulement dans un ouvrage à une échelle réduite. Ce changement d’échelle nécessite d’identifier des facteurs de réduction appelés « échelles de similitude » afin de reproduire fidèlement le phénomène à étudier (sous peine de ne pas voir dans le modèle réduit les mêmes phénomènes qu’à l’échelle 1).
En pratique, le choix est à faire selon les phénomènes physiques à reproduire :
- Dans le cas d’un phénomène physique que la modélisation numérique est capable de reproduire, il est plus intéressant de passer par de la modélisation numérique et ainsi de s’affranchir des inconvénients de la modélisation physique, et notamment les effets d’échelle.
- Dans le cas d’un phénomène que la modélisation numérique n’est pas capable de reproduire (on ne connaît pas les équations), le modèle physique est encore aujourd’hui indispensable.
Avantages de la modélisation 3D dans la conception hydraulique des stations de pompage
Pour les phénomènes de vortex et d’entraînement d’air, les règles de l’art recommandent de respecter une similitude de Froude et de garantir des valeurs minimales du nombre de Reynolds et du nombre de Weber afin que les phénomènes liés à la turbulence et à la tension de surface ne soient pas trop distordus dans le modèle physique. Le modèle physique atteint ainsi ses limites.
De plus, les récentes avancées menées dans le cadre de la thèse de doctorat de Gabriel Guibu Pereira (doctorant CIFRE de 3D EAU encadré par le laboratoire ICube) permettent en revanche de représenter ces phénomènes numériquement et à échelle 1.
Par ailleurs, la modélisation numérique est également capable de faire aussi bien voire mieux qu’un modèle physique pour représenter les phénomènes dépôt de MES dans une bâche ou dans un bassin.
La solution 3D EAU
Validation de la conception hydraulique d’une bâche de pompage
Analyse préalable de la bâche de pompage
3D EAU analyse la configuration envisagée pour la station de pompage sur la base de la littérature et de son expérience cumulée. L’objectif est de définir et d’intégrer des optimisations simples, préalablement à la modélisation 3D.
Modélisation 3D de la bâche de pompage
La modélisation 3D permet ensuite d’affiner le diagnostic et de valider ou compléter la conception de la station. 3D EAU procède à l’extraction et l’analyse des résultats du modèle afin de statuer sur :
- Le risque de vortex
- Le NPSH
- La répartition de l’écoulement entre les pompes …
Si les résultats obtenus montrent des dysfonctionnements par rapport aux exigences du cahier des charges, l’ouvrage doit alors suivre une deuxième phase d’optimisation. Une ou plusieurs itérations supplémentaires seront nécessaires.
En effet, si 3D EAU dispose d’une solide expérience pour évaluer l’impact d’un aménagement sur les phénomènes de vortex, ceux-ci demeurent très complexes et seul un calcul hydraulique 3D peut permettre de déterminer si la solution proposée permet d’atteindre les objectifs fixés.
Exemple de projet réalisé
Etude effectuée à Waziers pour le compte du BRGM. L’objectif de l’étude faite par 3D EAU est de diagnostiquer la conception hydraulique d’un projet de refonte d’une bâche de pompage et de préconiser des optimisations ciblant les problématiques rencontrées.
Pourquoi choisir la modélisation 3D pour valider la conception d’une bâche de pompage ?
Garantie l’exploitation et la longévité des pompes
Méthodologie économique par rapport aux modèles physiques
Comparaison facile entre plusieurs configurations
Accès à chaque variable en tout point du modèle
Résultats stockables et modèle remobilisable
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