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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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The paper describes and presents the consequences of inlet two-phase flow conditions on centrifugal pump performances.From visualization studies and dimensional analysis, main important parameters, that influence pump performances, are identified. Typical two-phase performances are described and compared with single phase ones.
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
KEYWORDS
centrifugal pump | water-air flow
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Coefficients de dégradation des performances6. 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),...
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Performances globales de la pompe
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BAKER (O.) - Design of pipe lines for simultaneous oil and gas flow. - Oil Gas Journal, vol. 26 (1954).
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(2) - MONTE VERDE (W.), LUIZ BIAZUSSI (J.), ARRIFANO SASSIM (N.), CARLOS BANNWART (A.) - Experimental study of gas-liquid two-phase flow patterns within centrifugal pumps impellers. - Experimental Thermal and Fluid Science 85, p. 37-51 (2017).
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(3) - SI (Q.), BOIS (G.), JIANG (Q.), HE (W.), ALI (A.), YUAN (S.) - Investigation on the Handling Ability of Centrifugal Pumps under Air – Water Two-Phase Inflow : Model and Experimental Validation. - Énergies, 11, 3048 ; doi :10.3390/en11113048 (2018).
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(4) - GRISON (P.), LAURO (J.F.) - Comportement des pompes en régime diphasique. - Publication de la SHF – La Houille Blanche, http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1979038 (1979).
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(5) - MINEMURA (K.), MURAKAMI (M.) - Effects of entrained air on the performance of a centrifugal pump (first report, performance and flow conditions). - Bull. JSME 17, (110), p. 1047-1055 (1974)
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