PERTEs DE CHARGE dans les réseaux de fluides

Comprendre et maitriser le calcul de perte de charge réguliere, et calculs pertes de charge singulieres

 

Comment calculer une perte de charge:

Le calcul des pertes de charge est utile pour les calculs de tuyaux et conduits de transport de fluides. La perte de charge désigne la perte irréversible d'énergie de pression, que subit un liquide ou un gaz, lors de son passage dans un conduit, un tuyau, ou un autre élément de réseau de fluide.

Cette perte d’énergie de pression, liée à la vitesse du fluide (faible vitesse=faible perte de charge), est causée par la transformation en chaleur, des frottements internes provoqués par la viscosité du fluide (un fluide parfait sans viscosité ne génère pas de perte de charge), la rugosité des parois, les variations de vitesses et les variations de direction du fluide. En mecanique des fluides, L'unité de calcul des pertes de charge est une pression (pascals, bars...), ou une hauteur de colonne d'eau qui produirait une charge hydrostatique (pression hydrostatique) équivalente. Le terme "perte de charge" signifie donc "perte de charge hydrostatique". Les pertes de charges dans les réseaux sont importantes si:

• La vitesse du fluide est élevée et que la rugosité est importante
• La variation de vitesse liée au changement de section est importante et brusque
• le changement de direction est important et brusque

Ces pertes d'énergie de pression seront donc minimum si:

• la vitesse est faible et les surfaces sont lisses
• la variation de vitesse liée au changement de section est faible et progressive
• le changement de direction est faible et progressif

• On distingue 2 Types de pertes de charges:
  1. Les pertes de charge regulieres dans les conduites, qui representent les pertes de charge par frottements . Elles sont provoquées par la viscosité du fluide. Elles sont fonction du degrés de turbulence (decrit par le nombre de reynolds)
  2. Les pertes de charge singulieres sont le resultat des variations de vitesses et des changements de directions du fluide provoqués par les formes et obstacles que rencontre le fluide en traversant un objet: Cones, coudes, grilles, racordements, jonctions...
En réalité ces 2 types de pertes de charges ne sont pas toujours séparés, ainsi dans un coude arrondis il y a une part de perte de charge singuliere due au changement de direction et une part de perte de charge réguliere due aux frottements sur la longueur de conduite formée par le coude. Une addition des 2 pertes de charges peut etre necéssaire si les surfaces de frottements sont importantes (un serpentin constitué de coudes par exemple) mais en general, les pertes de charge regulieres sont negligées pour les éléments singuliers.

Calcul du coefficient de perte de charge:

Le coefficient de perte de charge est une valeur sans unité qui permet de calculer les pertes de charge d'un conduit (voir formule et définition coefficient de perte de charge réguliere) ou d'un élément singulier (voir formule et définition coefficient de perte de charge singuliere).

 

Définition et formule du coefficient de pertes de charges régulières:

ΔH=Λ.(L/D).(V²/2.g)

• ΔH est la perte de charge en mètre colonne fluide
• Λ est le coefficient de pertes de charge régulières
• V est la vitesse moyenne de l'écoulement
• D est le diamètre de l'écoulement
• L est la longueur de l'écoulement

Définition et formule du coefficient de perte de charge singulière:

ΔH=Λ.(V²/2.g)

• Λ est le coefficient de pertes de charge singulière
• V est la vitesse moyenne de l'écoulement en m sec
• g est l'acceleration terrestre (gravité ) 9.81 en ms²

ΔH (perte en mètres) x masse volumique du fluide (Kg/m3) x gravité(9.81) = perte de charge en pascals

Une description de la methode de calcul du coefficient de perte de charge en fonction d'un relevé de perte de charge (Image extraite du logiciel pro3D)

Il existe diverses formules pour déteminer le coefficient de pertes de charge regulieres, le choix de la formule depend du regime d'écoulement que l'on evalue avec le nombre de Reynolds.

• https://www.mecaflux.com/poiseuille.htm
• https://www.mecaflux.com/blasius.htm
• https://www.mecaflux.com/blench.htm
• https://www.mecaflux.com/colebrook.htm

et diverses methode ou abbaques pour determiner les coefficients de pertes de charge singulieres, voir aussi: Dimensionner un conduit hydraulique ou aéraulique suivant son débit

Calcul des pertes de charges avec les logiciels Mecaflux:

Les équations utilisées dans le logiciel MECAFLUX pour le calcul des pertes de charges régulières sont:

• Poiseuille en écoulement laminaire

• Blasius en écoulement turbulent lisse

• Colebrook est utilisable dans tous les cas

Exemple de calcul des pertes de charges:

Logiciel de calcul de pertes de charge Mecaflux standard:

et Logiciel de calcul de pertes de charge Mecaflux3D

Pour déterminer par le calcul ces pertes d'énergies, certaines informations sont obligatoires, ces informations se saisissent dans "la zone de saisie des paramètres"

• le diamètre de la conduite (ou diamètre équivalent si la section n'est pas ronde) en mm
• le débit dans l'unité choisie
• la longueur de la conduite en mètres
• dans le tableau de viscosité vous devez sélectionner un fluide et une température ou une viscosité dynamique si vous la connaissez
• choisissez une matière de conduite

Il ne vous reste plus qu'a appuyer sur calculer. (si un paramètre obligatoire est manquant un message "paramètres insuffisants vous le signalera)

pendant le calcul:

1. il peut vous être proposé de choisir entre deux équations les résultats ne s'en ressentent peut mais vous pouvez ainsi comparer des méthodes de calculs différentes.

2. il peut vous être proposé de choisir entre deux régimes d'écoulement quand vous êtes proche des limites de transition entre écoulement laminaire et turbulent. cette transition est souvent provoquée dans la réalité par des défauts de rugosité.(si vous relancez le calcul en modifiant légèrement la rugosité vous basculerez dans un régime ou un autre)

Les résultats des calculs s'affichent dans "la zone de résultats" du logiciel

• les pertes de charges exprimées en hauteurs de fluide (en mètres) et en pascals.
• la section du conduit en m²
• la vitesse moyenne du fluide en ms
• la vitesse maxi du fluide en ms
• le cofficient de perte de charge(coefficient sans unité k )
• le type d'écoulement
• l'équation utilisée
• le nombre de Reynolds

Le mémo du logiciel vous permet d'additionner les résultats de plusieurs calculs dans le cas de réseaux comportant des zones de paramètres différents (matière de conduits, diamètres,températures)

Pertes de charge singulières:

en savoir plus sur les pertes de charge singulieres

procédure de calcul avec Mecaflux

• sélectionnez un obstacle en choisissant une "catégorie" et un "élément"
• renseignez les zones de texte bleues dans le cadre "paramètres fluides et éléments"
• cliquez sur calculer

Si une zone de texte n'a pas été renseignée correctement un message vous l'indiquera.

Les résultats sont donnés en mètres col de fluide et en pascals.

Ils peuvent êtres chargés dans le l'inventaire des pertes de charge pour étudier l'ensemble des pertes d'un tronçon du reseau.

(en savoir plus sur les pertes de charges singulières)