Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers

par Laurent Solliec

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de José Vazquez.

Le président du jury était Nicolas Rivière.

Le jury était composé de Abdellah Ghenaim, Hossein Bonakdari, Matthieu François Daniel Dufresne.

Les rapporteurs étaient Akihiro Tominaga.

  • Titre traduit

    Modélisation d'un débit en temps réel en canaux perturbés à partir de profileurs de vitesse


  • Résumé

    L'installation de systèmes de mesure est d'une utilisation cruciale pour la gestion des réseaux d'assainissement ou des canaux d 'irrigation. La plupart des structures gouvernementales ou privées ainsi que les agglomérations s'équipent de systèmes de mesure de débit afin de se conformer avec la législation européenne. La plupart des débitmètres fournissent des données en temps réel i.e. l'information est transmise en permanence. aux centrales d'acquisition pour une gestion de l'architecture du système de canaux. La mesure en canaux ouverts est souvent ultrasonore. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode en temps réel afin de corréler les vitesses locales en une vitesse moyenne dans les conditions observables par les utilisateurs en canaux ouverts. Les thématiques impliquées à cette étude sont multiples: les techniques de mesure, l'hydrodynamique en canaux ouverts représentée par la turbulence (ici plus particulièrement les courants secondaires), les lois de paroi, le nombre de Froude ... l'ensemble de ces thématiques doit être investi en canaux pleinement développés où les conditions sont stables dans l'espace mais aussi pour des conditions perturbées telles que les structures hétérogènes ou transitoires.La technique de mesure est un point clé: quelle est la technique la plus applicable aux conditions de mesure i.e. les canaux étroits? Les canaux étroits varient très rapidement en tem1es de taux de remplissage : la technique la plus adaptée est le profileur ultrasonique.La compréhension des effets hydrodynamiques est essentielle afin de développer un modèle de conversion. Les canaux droits sont influencés par l'hydrodynamique des écoulements, la géométrie mais aussi et principalement par leurs interactions. En canaux droits, les courants secondaires sont primordiaux même s'ils se traduisent par un effet le plus observable : le dip-phénomène, i.e. la présence d'un maximum de vitesse non pas à la surface d'eau mais en dessous pour les canaux étroits. Ces courants secondaires sont fortement sensibles au rapport d'aspect, la géométrie et la variabilité de la rugosité le long de la paroi, passablement sensible à la rugosité et indépendant du nombre de Froude .Les perturbations, à l'aval desquelles sont installés les débitmètres ultrasonores, sont majoritairement représentées par les coudes et les jonctions. Dans les coudes, les tourbillons sont liés aux forces centrifuges (gros tourbillon) et la turbulence (petit tourbillon). Pour les jonctions, les tourbillons diffèrent des deux précédentes configurations avec la présence à l'aval de la jonction de 3 tourbillons (due à un étirement des tourbillons par l'arrivée latérale). Les capteurs ne sont pas installés directement au niveau de la perturbation mais à l'aval. Dans la littérature, les distances requises pour retrouver des conditions proches de l'écoulement pleinement développé devraient excéder environ 50 hauteurs d'eau. En pratique, ces distances sont plus proches de5-10 fois la largeur du canal ou du tirant d'eau. L'application de modèle basée sur l'écoulement pleinement développé corrélé à un capteur n'est pas recommandable...


  • Résumé

    The installation of flow rate measurement systems is an important factor in regard to the management of sewer and irrigation networks. Most cities and infrastructure succeed in obtaining sufficient flow measurements to satisfy European Regulation rules. Most flow meters comprise real time systems; this means that the information is permanently transferred to a data base for the management and optimization of the particular network. The measurement technology deployed is typically ultrasound based. Within the number of measurement points a high percentage are often deficient and create specific difficulties (>75% of Venturi flumes are inaccurate according to Anglian Water, a UK water and wastewater company). The study presented here focuses on flow meters which calculate discharge using measurement of level, cross sectional area and the correlation of local velocity to generate a mean value. The aim of this thesis is to propose a real time method to enable determination of this “conversion” under realistic configurations which Users find in open channels. The synthesis of measurement points through an understanding of hydraulic conditions (Bonakdari, 2006) provides a method to create flow data allowing local point velocities to be converted into an overall mean value. The approach has limitations and may fail in industrial situations but can be used for very complex configurations. It also requires specialists with knowledge of the technique who are rarely available to Users. What is proposed here is an alternative method to Bonakdari for simpler configurations. The aim is to evaluate the flow rate with acceptable accuracy using these technics and to establish a relationship between local velocities and the mean velocity according to Regulatory requirements (8% are required in UK, 5 to 8% in Germany depending on area). The individual components are here: the measurement techniques; the hydrodynamics represented with the turbulence (secondary currents in open channels); the wall / roughness effects; the Froude number … for fully developed conditions where conditions become stable in space but for disturbed conditions, as well such as heterogeneous structures or transition conditions.

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