Vitesse spécifique
Écoulements diphasiques dans les pompes - Descriptions et conséquences

BM4325 v1 Article de référence

Vitesse spécifique
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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1. Vitesse spécifique

Les pompes fonctionnant en régime monophasique, comme toutes les machines rotodynamiques qui véhiculent des fluides incompressibles, sont classées en utilisant un paramètre dénommé vitesse angulaire spécifique, noté Ω (ou Ω _s), auquel on associe généralement le rayon spécifique noté Λ (ou Λ _s) données ci-dessous :

Ω = ω \frac{\sqrt{q_{v}}}{{(g H)}^{3 / 4}}

^( 1 )

Λ = R \frac{{(g H)}^{1 / 4}}{\sqrt{Q_{o p t}}}

^( 2 )

avec :

ω = πN/30 (rad/s): vitesse angulaire de rotation, si N est exprimé en tours par minute,
Q_opt (m³/s): débit-volume de fluide pour le point de rendement optimal de la machine,
g (m/s²): accélération gravitationnelle locale,
H (m): hauteur nanométrique totale pour le point de rendement optimal de la machine,
R (m): rayon extérieur de la roue.

Les figures 1 a et 1 b représentent respectivement les vues en coupe méridienne...