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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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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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Bilan des forces agissant sur une particule de gaz dans un liquide
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3. Phénomènes en présence d’un mélange diphasique en entrée de pompe
Par analogie avec la description précédente, les résultats de visualisations effectuées dans des modèles de pompes transparents ont permis de proposer une classification similaire pour le cas des machines centrifuges .
La figure 3 montre des résultats de photographies instantanées, prises par caméra rapide, avec les évolutions du mélange gaz liquide lorsque le taux de gaz augmente en entrée de pompe et pour un point de fonctionnement proche du débit nominal en eau. La figure 4 en donne une représentation simplifiée. On peut déceler, figure 4 c , que des poches de gaz se forment en entrée des canaux de la roue et que leurs étendues sont différentes. Par nature, ces structures ont un caractère instable, et ce d’autant plus que le mélange diphasique perd de son caractère homogène dans les canaux inter-aubes. Si on s’écarte du point de débit nominal vers des débits plus faibles, l’apparition de ces structures va survenir d’autant plus rapidement que la fraction volumique de gaz en entrée de pompe augmente.
Les figures diphasiques observées dans les canaux inter-aubes d’une pompe sont décrites par analogie avec ceux d’une tuyauterie, mais les phénomènes physiques qui gouvernent leurs évolutions sont différents (effets de rotation, de gradient de pression, angle d’incidence, etc.).
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - MONTE VERDE (W.), LUIZ BIAZUSSI (J.), ARRIFANO SASSIM (N.), CARLOS BANNWART (A.) - Experimental study of gas-liquid two-phase flow patterns within centrifugal pumps impellers. - Experimental Thermal and Fluid Science 85, p. 37-51 (2017).
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(3) - SI (Q.), BOIS (G.), JIANG (Q.), HE (W.), ALI (A.), YUAN (S.) - Investigation on the Handling Ability of Centrifugal Pumps under Air – Water Two-Phase Inflow : Model and Experimental Validation. - Énergies, 11, 3048 ; doi :10.3390/en11113048 (2018).
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(5) - MINEMURA (K.), MURAKAMI (M.) - Effects of entrained air on the performance of a centrifugal pump (first report, performance and flow conditions). - Bull. JSME 17, (110), p. 1047-1055 (1974)
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