Comme nous l’avons vu dans l’article Propriétés de l’eau et conception des parcs aquatiques, l’eau est un milieu matériel qui se déforme continuellement. Cette déformation continue implique un mouvement, c’est-à-dire un flux.
L’écoulement de l’eau, ou son mouvement, peut être classé en laminaire et turbulent :
–Écoulement laminaire : correspond au mouvement « ordonné » des particules d’eau, sans mélange ni collision entre elles, dont les lignes de courant restent « parallèles ». Sa vitesse, qui est très stable, est proche de la constante et nulle dans la direction transversale aux lignes de courant. L’écoulement laminaire se produit généralement à des vitesses de fluide très faibles, ou dans des fluides à haute viscosité.
Image 1. Représentation d’un écoulement laminaire dans un tuyau. On peut voir les lignes de courant « parallèles ».
–Écoulement turbulent : désigne le mouvement erratique et « désordonné » de l’eau. Les lignes de courant oscillent et se mélangent, avec des collisions entre les particules. Il présente une instabilité permanente et des fluctuations très rapides de la vitesse. Cette forte variabilité des vitesses favorise les contraintes de cisaillement dans la masse d’eau. À leur tour, les contraintes de cisaillement entraînent une dissipation d’énergie, plus les contraintes de cisaillement sont élevées, plus la dissipation d’énergie est importante. Par conséquent, les pertes de charge dans une conduite à régime turbulent seront plus importantes que celles d’un écoulement laminaire.
Image 2. Illustration d’un écoulement turbulent dans un tuyau, avec des lignes de courant « désordonnées ».
Le paramètre indiquant le type d’écoulement est le nombre de Reynolds. C’est un coefficient sans dimension qui dépend principalement de la viscosité et de la vitesse de l’eau. Le débit du tuyau est défini par l’expression suivante :
Où Re, ou nombre de Reynolds (sans dimension), est directement proportionnel au produit de 𝜌, ou densité de l’eau (kg/m³), v, vitesse de l’eau (m/s), et D, diamètre intérieur du tuyau (m) ; et inversement proportionnel à 𝜇, ou viscosité dynamique de l’eau (kg/m-s).
Lorsque le coefficient de Reynolds est supérieur à 4 000, l’écoulement est considéré comme turbulent. Si la valeur est inférieure à 2 300, l’écoulement est laminaire. Pour les valeurs intermédiaires (entre 2 300 et 4 000), l’écoulement est instable, c’est-à-dire qu’il peut passer du laminaire au turbulent et vice versa, et est appelé écoulement de transition.
En général, dans la plupart des infrastructures hydrauliques, si l’on considère les vitesses de fonctionnement habituelles, notamment dans les réseaux de canalisations, l’eau s’écoule dans un régime turbulent. Et comme mentionné ci-dessus, l’écoulement turbulent produit des pertes de charge dans le tuyau. Cependant, il existe certains exemples spécifiques dans lesquels il est courant que l’eau s’écoule en flux laminaire. C’est le cas des décanteurs pour le traitement de l’eau, notamment ceux de type laminaire, ou de certains accessoires d’hydrothérapie pour les piscines, comme les rideaux d’eau.
Par Luis Llor, ingénieur hydraulique senior dans le département d’architecture d’Amusement Logic.
