L’eau a un module d’élasticité volumétrique élevé et est donc considérée comme incompressible. Cependant, un phénomène indésirable et nuisible, étroitement lié à la compressibilité de l’eau, se produit parfois dans les réseaux de canalisations des parcs aquatiques. Il s’agit du coup de bélier.
Les coups de bélier se produisent dans les canalisations d’un parc aquatique lorsqu’il y a de fortes surpressions dues à de brusques variations de débit. En raison de ce phénomène, les canalisations subissent des effets néfastes, allant de la dégradation des matériaux à l’éclatement.
Les situations particulières dans lesquelles il convient de prendre en compte cette compressibilité, puisqu’elles peuvent produire le phénomène de coup de bélier, sont les suivantes :
-Lorsqu’un réseau transite, en un court laps de temps, du support d’un débit considérable à un débit nul. Par exemple, cette transition se produit lorsqu’une vanne d’arrêt ou de contrôle du débit est actionnée, ou lorsqu’une pompe est arrêtée.
-Lorsque, à l’inverse de la situation précédente, le réseau passe d’un débit nul à un débit important. Dans ce cas, cela se produit avec le démarrage d’une pompe.
Mais analysons le phénomène d’un point de vue qualitatif :
D’un réservoir (T) part un tuyau qui a une vanne d’arrêt (CV) à l’extrémité aval. L’eau et la conduite sont susceptibles de se déformer face à une variation de pression.
Au départ (instant t=0), la vanne d’arrêt est ouverte, donc un débit (Q) s’écoule dans la conduite à une vitesse donnée (v).
La ligne verte représente la ligne de charge de la conduite, lorsque le réservoir se vide.
Or, à un instant précis (t=t1), la vanne d’arrêt se ferme instantanément, ce qui interrompt l’écoulement.
À partir de cet instant (t>t1), l’énergie cinétique du fluide commence à se transformer en énergie potentielle, ce qui provoque une surpression (OP) qui comprime l’eau et dilate la conduite. L’onde de surpression se propage de la vanne fermée vers l’amont, avec une vitesse (a), et déforme la conduite (la section de la conduite déformée par l’eau comprimée est représentée en rouge).
Lorsque l’onde de pression atteint le réservoir, toute la conduite est en surpression. À cet instant (t=t2), une réflexion de l’onde se produit, c’est-à-dire que l’onde de pression commence à avancer vers l’aval.
Et à partir de cet instant (t>t2), l’onde réfléchie se propage vers l’aval, l’eau se retire vers le réservoir et la conduite se contracte et retrouve sa position initiale.
Lorsque l’onde de pression atteint la vanne d’arrêt (t=t3), toute l’eau de la conduite circule vers le réservoir, et toute la conduite s’est comprimée et a retrouvé sa taille initiale.
Le phénomène décrit ci-dessus est appelé la phase directe du coup de bélier. À partir de ce moment, le processus précédent se répète, mais en sens inverse. C’est la phase inverse du coup de bélier. Dans cette phase, la circulation de l’eau se fait en sens inverse ; un front d’onde de pression négative est généré et la dilatation de l’eau au lieu de sa compression ; le tuyau se contracte au lieu de se dilater. Ces phases directes et inverses se succèdent de manière cyclique, jusqu’à ce que la masse d’eau à l’intérieur de la conduite du réseau hydraulique du parc aquatique atteigne l’équilibre.
La variation cyclique et violente des pressions dans la canalisation est un effet très néfaste, qui finit par détériorer les canalisations et leurs accessoires. Nous laisserons pour un prochain numéro les aspects quantitatifs des coups de bélier, la détermination du type d’infrastructures hydrauliques des parcs aquatiques dans lesquelles le phénomène se déclenche et les mesures nécessaires pour l’éviter ou l’atténuer.
Par Luis Llor, ingénieur hydraulique senior du département d’architecture d’Amusement Logic.
