Coup de bélier

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher

Le coup de bélier est un phénomène de surpression qui apparaît au moment de la variation brusque de la vitesse d'un liquide, par suite d’une fermeture/ouverture rapide d’une vanne, d'un robinet ou du démarrage/arrêt d’une pompe.

Cette surpression peut être importante, elle se traduit souvent par un bruit caractéristique, et peut entraîner la rupture de la conduite dans les grosses installations, du fait de la quantité d'eau en mouvement. Ce problème peut être résolu avec la mise en place d'un antibélier.

Joint de dilatation détruit par un coup de bélier

En utilisant le phénomène du coup de bélier, il est possible de concevoir un dispositif permettant de pomper de l'eau à une certaine hauteur sans autre énergie que la force de la même eau, c'est le bélier hydraulique.

Causes et conséquences[modifier | modifier le code]

Lorsqu'une tuyauterie est brutalement fermée, la masse de liquide avant la fermeture est toujours en mouvement avec une certaine vitesse, générant une pression élevée ainsi qu'une onde de choc. Dans une plomberie courante, cela se manifeste par un bruit sourd, rappelant le son d'un coup de marteau. Les coups de bélier peuvent provoquer la rupture d'une tuyauterie si la pression atteinte devient trop élevée. Des poches d'air peuvent être ajoutées sur le réseau de tuyauteries afin d'obtenir un effet amortisseur, protégeant le système.

Dans le cas d'une centrale hydroélectrique, l'eau circulant dans les tuyauteries ou tunnels peut être isolée de la turbine génératrice au moyen d'une vanne. Toutefois, si par exemple, le tunnel acheminant l'eau est un tube long de 14 km, de 7,7 m de diamètre et rempli d'eau circulant à 3,75 m/s, cela représente une très grande quantité d'énergie cinétique qui doit être arrêtée. Pour cela, une chambre d’équilibre, ouverte en son sommet, peut être utilisée.

Dans une installation domestique, des coups de bélier peuvent se produire lorsqu'une machine à laver ou lave-vaisselle coupe son alimentation en eau. Cela se traduit généralement par un bang assez fort.

D'autres causes des coups de béliers peuvent découler des défaillances d'une pompe ou encore la fermeture d'un clapet anti-retour.

Moyens de prévention[modifier | modifier le code]

Les coups de bélier peuvent être à l'origine d'accident, mais le plus souvent, cela se limite à une rupture de tuyauteries ou du matériel qui y est raccordé. Les lignes transportant des fluides dangereux bénéficient d'une attention toute particulière lors de la conception, de la construction et de l'exploitation.

Les éléments suivants permettent de diminuer ou supprimer les coups de bélier:

  • Réduire la pression de l'alimentation en eau, par l'installation d'un régulateur de pression.
  • Réduire la vitesse du fluide dans la tuyauterie. Afin de réduire l'importance du coup de bélier, certains guides de dimensionnement recommandent une vitesse égale ou inférieure à 1,5 m/s.
  • Installer des robinets avec une vitesse de fermeture lente.
  • Utiliser des procédures d'ouverture et de fermeture sur une installation.
  • L'installation d'une bouteille anti-coup de bélier, également appelée bouteille anti-pulsatoire.
  • Mettre en place une chambre d'équilibre.
  • Réduire les longueurs de tuyauterie droite par des coudes ou des lyres de dilatation, les coudes réduisant l'influence des ondes de pression.
  • Employer des éléments de tuyauteries conçus pour des pressions élevées (solution coûteuse).
  • Installer un volant d'inertie sur la pompe.
  • Installer un bypass de la pomperie.

Amplitude de l'impulsion[modifier | modifier le code]

Une des premières personnes à avoir étudié en détail le problème des coups de bélier est l'ingénieur italien Lorenzo Allievi.

Les coups de béliers peuvent être analysés par deux approches différentes, une théorie supposant le fluide incompressible et la conduite indéformable, ou une étude complète prenant en compte les différentes élasticités. Lorsque la durée de fermeture d'un robinet est grande comparée au temps mis par l'onde de pression pour se propager sur la longueur de la tuyauterie, la théorie ne prenant pas en compte la compressibilité du fluide et l'élasticité de la conduite est considérée comme valable, sinon il peut être nécessaire d’effectuer une analyse complète.

Expression de la surpression liée au coup de bélier[modifier | modifier le code]

À la fermeture d'une vanne préalablement traversée par un débit volumique Q, une surpression δP apparaît au droit de la vanne, dont la valeur est donnée par la formule de Joukovski :

\delta P = Z_h \, Q

Dans cette expression :

  • la surpression δP est exprimée en Pa ;
  • le débit volumique est en m3/s ;
  • Zh est l'impédance hydraulique, exprimée en kg/m4/s.

L'impédance hydraulique Zh de la conduite hydraulique détermine l'importance du coup de bélier. Elle est elle-même définie par :

Z_h = \frac{\sqrt{\rho \, B_{eff}}}{A}

avec :

  • ρ la masse volumique du liquide, exprimée en kg/m3 ;
  • A la section de la conduite, en m2 ;
  • Beff le module de compressibilité effectif du liquide dans la conduite, exprimé en Pa.

Ce dernier résulte de la mise en série de plusieurs raideurs hydrauliques :

  • la compressibilité propre du liquide, définie par son module de compressibilité adiabatique Bl, résultant de l'équation d'état du liquide généralement disponible sous forme de tables thermodynamiques ;
  • l'élasticité des parois de la conduite, qui définit un module de compressibilité équivalent Beq. Dans le cas d'une conduite de section circulaire dont l'épaisseur des parois e est petite devant le diamètre D, le module de compressibilité équivalent est donné par B_{eq} = \frac{e \, E}{D}, E étant le module d'Young (exprimé en Pa) du matériau constitutif de la conduite ;
  • éventuellement la compressibilité Bg du gaz non dissous dans le liquide, définie par B_g = \frac{\gamma \, P}{\alpha}, γ étant le rapport des chaleurs spécifiques du gaz, α le taux d'aération (la fraction volumique de gaz non dissous), et P la pression (en Pa).

Ainsi, le module de compressibilité effectif vérifie :

\frac{1}{B_{eff}} = \frac{1}{B_l} + \frac{1}{B_{eq}} + \frac{1}{B_g}

Par suite, on voit que l'on peut atténuer le coup de bélier en :

  • augmentant le diamètre de la conduite à débit constant, ce qui diminue l'inertie de la colonne de liquide à arrêter ;
  • choisissant pour la conduite un matériau ayant un module d'Young plus faible ;
  • introduisant un dispositif qui augmente la souplesse d'ensemble du circuit hydraulique, par exemple un accumulateur hydraulique ;
  • éventuellement, lorsque cela est possible, en augmentant le pourcentage d'air non dissous dans le liquide.

Références[modifier | modifier le code]

  • Jacques Faisandier, Mécanismes hydrauliques et pneumatiques, 8e édition, Dunod, Paris, 1999 (ISBN 2100499483)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Article connexe[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]