Performances globales de la pompe
Écoulements diphasiques dans les pompes - Descriptions et conséquences

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Performances globales de la pompe
Écoulements diphasiques dans les pompes - Descriptions et conséquences

Auteur(s) : Gérard BOIS

Relu et validé le 23 juin 2022 | Read in English

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Présentation

1 - Vitesse spécifique

Quiz d'entraînement

2 - Écoulements diphasiques

Quiz d'entraînement

3 - Phénomènes en présence d’un mélange diphasique en entrée de pompe

4 - Bilan des forces agissant sur une particule de gaz dans un liquide

4.1 - Roue axiale
4.2 - Roue centrifuge
4.3 - Force de traînée s’exerçant sur une bulle
- Quiz d'entraînement

5 - Analyse dimensionnelle

6 - Performances globales de la pompe

6.1 - Évolution qualitative des performances d’une pompe en régime diphasique
6.2 - Courbes caractéristiques et coefficients sans dimension
- Quiz d'entraînement
$Figure 9 - Exemples de représentation des performances d’une pompe pour des fractions volumiques initiales de gaz constantes à l’aspiration$ $Figure 10 - Exemple d'identification des différentes figures de mélange diphasique dans une roue de pompe centrifuge en fonction des fractions volumiques de liquide et de gaz$

7 - Coefficients de dégradation des performances

7.1 - Définitions

$Figure 11 - Exemples d'évolutions du coefficient de pression théorique à diverses vitesses de rotation de la pompe et pour différentes fractions volumiques initiales de gaz [3]$
7.2 - Évolution des taux de dégradation de pression et de débit

$Figure 13 - Exemple de taux de dégradation de débit en fonction de la fraction volumique pour des valeurs de débit-volume du liquide fixées$ $Figure 14 - Exemple de taux de dégradation de hauteur nanométrique (pression) en fonction de la fraction volumique en entrée pour deux vitesses de rotation$

8 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Cet article a pour objectif de décrire et présenter les conséquences de la présence d’un mélange diphasique liquide-gaz sur les performances des pompes rotodynamiques. À partir de résultats de visualisation et d’une analyse dimensionnelle, les principaux paramètres qui influent sur les performances des pompes sont identifiés. Des exemples typiques de courbes de performances sont présentés et comparés à celles du régime monophasique, en privilégiant le cas des pompes centrifuges.

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Auteur(s)

Gérard BOIS : Professeur des Universités émérite - École Nationale Supérieure des Arts et Métiers, - Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille, Lille, France

INTRODUCTION

C’est généralement dans les applications de pompages d’hydrocarbures, de fluides chargés pour la chimie, voire de fluides alimentaires ou encore pour les besoins de captage d’eau potable ou d’irrigation que l’on peut observer l’existence d’écoulements diphasiques dans les pompes. C’est également le cas des systèmes de pompage d’urgence pour la sécurité nucléaire ou lors d’utilisation des pompes en cas d’inondations. Pour des pompes à usages plus classiques, il peut arriver que ce type de situation provienne, par exemple, de paliers en mauvais état, laissant passer, par exemple, du gaz au travers des garnitures.

Sont exclus de cet article les cas des écoulements avec cavitation. Bien que ces derniers fassent partie des écoulements diphasiques au sein d’une pompe, les phénomènes physiques qui sont à l’origine des changements de phase sont associés aux modifications de la pression locale dans la pompe. Cela n’est pas pris en compte pour la présente étude, car le mélange diphasique est considéré déjà existant en amont de la pompe y compris pour de grandes valeurs de la pression initiale.

Par soucis de simplification, on fait ici le choix de présenter les conséquences d’un écoulement diphasique et plus particulièrement d’un mélange initial liquide-gaz non miscible pour décrire et comprendre les phénomènes mis en jeu. Ces types d’écoulements sont toujours très difficiles à appréhender, compte tenu de la diversité des géométries rencontrées (machines radiales, mixtes ou axiales), de leur configuration (mono ou multi-étagées), des structures et interactions entre les phases et aussi pour la grande quantité de variables impliquées. Des approches pour modéliser les comportements des mélanges dans les pompes existent, mais ne sont pas exposées dans cet article.

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MOTS-CLÉS

Pompe centrifuge Ecoulement eau-air

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4325

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6. Performances globales de la pompe

6.1 Évolution qualitative des performances d’une pompe en régime diphasique

Quel que soit le type de pompe, on observe que, pour un point de fonctionnement fixé (qui dépend du circuit dans lequel la pompe débite), les performances de celle-ci décroissent lorsque le taux de gaz initial augmente. Le degré de chute des performances va dépendre de plusieurs facteurs, à la fois géométriques, thermodynamiques et cinématiques.

Les modifications des performances constatées expérimentalement se situent sur une courbe caractéristique qui obéit à une évolution quadratique des différences de pression avec le débit comme le montrent, à titre d’exemple, les résultats expérimentaux présentés en figure 7 . On constate que l’ensemble des points de même débit initial (position de la vanne), appartiennent (en tenant compte des incertitudes de mesure) à une parabole passant par l’origine (H = 0 et Q = 0) et par le point de fonctionnement de la pompe correspondant aux conditions monophasiques.

Si le niveau de liquide du réservoir aval se situe à une cote d’altitude plus haute que celle du réservoir amont, les points de fonctionnement en diphasique sont situés sur des courbes identiques, mais avec une ordonnée d’origine égale à la différence de cote d’altitude qui sépare les deux bassins, à condition de ne pas déclencher des phénomènes de cavitation.

Plus on augmente le débit initial de gaz, plus la pompe perd de sa capacité à élever la pression, en même temps que le débit dans le circuit diminue, sans pour autant avoir modifié le réglage de la vanne. Cela signifie que, pour un point de fonctionnement et pour un circuit donné (dont on rappelle que la caractéristique est indépendante de la pompe utilisée),...