Historique de l'hydraulique et de l'hydrodynamique
Ludwig Prandtl réunit en 1904 deux domaines de la mécanique des
fluides jusque-là complètement dissociés, l’hydraulique et l’hydrodynamique. L’hydraulique est une discipline de la mécanique des fluides qui se base sur
l’expérience pour permettre une résolution rapide des problèmes d’ingénierie.
La mise en place d’un système de réseau hydraulique est basée sur les
coefficients de perte de pression de Bernoulli.
L’hydrodynamique est quant à elle une discipline théorique, qui occupe les spécialistes, les mathématiciens et développeurs de logiciels d’écoulement ; ils analysent et
résolvent la totalité des équations avec dérivées partielles non linéaires de Navier-Stokes.
Réseau fluide en comparaison avec la simulation d'écoulement CFD en 3D
Le système de refroidissement d’une grande installation est trop étendu et
trop complexe pour pouvoir être dimensionné avec des simulations de fluide en
3D. C’est pourquoi, on est censé le résoudre grâce aux formules de
l’hydraulique ; cette méthode est aussi appelée 1D-CFD au bien réseau fluide.
C’est particulièrement utilisé pour l’ingénierie des systèmes de centrales
électriques à cycle combiné gaz-vapeur, au charbon ou bien nucléaires. Le
cycle de la vapeur, le cycle de refroidissement ou de distribution de l’huile
lubrifiante ainsi que d’autres systèmes auxiliaires sont dimensionnés avec
l'hydraulique. Dans les bureaux d’ingénierie pour l’automobile ou les grands
générateurs, les systèmes de refroidissement sont dimensionnés aussi de cette
manière.
Comme les calculs de l’écoulement sont des approximations, une grande variété de phénomènes physiques peut être calculée : gaz ou liquides, fluides
compressibles et incompressibles, réchauffement et refroidissement ainsi que la combustion et l’écoulement de plusieurs phases.
Les réseaux peuvent être programmés avec Excel, en Fortran ou dans une autre langue. De nos jours la tendance est d’utiliser des logiciels avec des
sous-systèmes thermiques et fluides avec une simulation de système en 1D tel que FloMASTER ou AMESIM.
Pertes de pression dans les tuyaux
Puisqu'il n'y a pas de formule théorique générale pour calculer les pertes de pression, on utile encore des coefficients basés sur les recherches expérimentales.
Les pertes de pression dues au frottement dans les tuyaux droits peuvent être calculées à l'aide du coefficient de frottement des tuyaux
l.
Il s'agit d'un coefficient sans dimension qui peut être lu sur le diagramme de Moody en fonction du nombre de Reynolds Re. Ce nombre doit également être augmenté en fonction de la rugosité moyenne.
Les pertes de pression dues aux changements de géométrie tels que les raccords de tuyauterie, les étranglements, les blocages, l'entrée dans le tuyau, la sortie du tuyau s'ajoutent aux pertes de pression
dues au frottement dans les tuyaux droits. Ces pertes de pressions sont calculées à l'aide des coefficients de résistance, que l'on peut trouver dans la littérature.
Étant donné que l'ensemble du système de tuyaux doit être installé dans un espace prédéfini, la disposition des tuyaux et autres composants doit être vérifiée à l'aide d'un modèle CAO après la conception hydraulique du système.
Genération de pression avec pompes et ventilateurs
Les pompes et les ventilateurs font partie des équipements mécaniques. Ils sont entrainés en général par un moteur électrique, les données électriques de ce dernier doivent permettre un
branchement au réseau électrique de l’installation.
Un ventilateur est défini par sa courbe caractéristique et sa vitesse de rotation ; seuls les besoins du ventilateur (génération de pression et débit volumique) doivent
être estimés, pour pouvoir choisir le ventilateur correspondant dans le catalogue.
Une pompe entraine un liquide, elle est définie par sa courbe caractéristique et hauteur de levage.
Si le système contient des échangeurs de chaleur, alors leurs propres ventilateurs devront être eux-aussi dimensionnés.
Ventilateur axial
Ventilateur radial ER..C © Ziehl
-Abbeg
Logiciel de simulation de système 1D
La simulation de système 1D est le calcul du système global avec des sous-systèmes électriques, hydrauliques, pneumatiques et mécaniques connectés à un modèle de système global mathématique et schématique.
Ces blocs fonctionnels sont connectés les uns aux autres par glisser-déposer sur un plan d'esquisse, par analogie avec les schémas électriques.
Ces programmes se différencient principalement par leur bibliothèque de composants, dans lesquels sont prédéfinis des pompes, ventilateurs, vannes, courbures,
bifurcations … Les éléments passifs tels que les échangeurs de chaleur sont par exemple simplement représentés par des pertes de pression constantes ou
bien dépendantes du débit.
Petit réseau fluide géneré avec FloMASTER
