Comprendre la turbulence des écoulements
Définition : Qu'est-ce que la turbulence d'écoulement ?
Turbulence d'écoulement Il s'agit d'un mouvement chaotique et irrégulier des fluides, caractérisé par des fluctuations aléatoires de vitesse, des tourbillons et des vortex dans les pompes, les ventilateurs, les compresseurs et les réseaux de tuyauterie. Contrairement à l'écoulement laminaire lisse, où les particules du fluide se déplacent selon des trajectoires parallèles ordonnées, l'écoulement turbulent présente un mouvement tridimensionnel aléatoire avec une vitesse et une pression continuellement variables. Dans les machines tournantes, la turbulence crée des forces instables sur les roues et les aubes, générant des forces à large bande. vibration, le bruit, les pertes d’énergie et la contribution à la fatigue des composants.
Bien que certaines turbulences soient inévitables et même souhaitables dans de nombreuses applications (un écoulement turbulent assure un meilleur mélange et un meilleur transfert de chaleur), une turbulence excessive due à de mauvaises conditions d'admission, à un fonctionnement hors conception ou à une séparation de l'écoulement crée des problèmes de vibration, réduit l'efficacité et accélère l'usure mécanique des pompes et des ventilateurs.
Caractéristiques de l'écoulement turbulent
Transition du régime d'écoulement
Transitions d'écoulement du laminaire au turbulent en fonction du nombre de Reynolds :
- Nombre de Reynolds (Re) : Re = (ρ × V × D) / µ
- Où ρ = densité, V = vitesse, D = dimension caractéristique, µ = viscosité
- Flux laminaire : Concernant < 2300 (lisse, ordonné)
- De transition: Ré 2300-4000
- Écoulement turbulent : Re > 4000 (chaotique, irrégulier)
- Machines industrielles : Fonctionne presque toujours en régime turbulent
Caractéristiques de la turbulence
- Fluctuations aléatoires de la vitesse : La vitesse instantanée varie de manière chaotique autour de la moyenne
- Tourbillons et tourbillons : Structures tourbillonnantes de différentes tailles
- Cascade énergétique : Les grands tourbillons se décomposent en tourbillons progressivement plus petits
- Mélange: Mélange rapide de quantité de mouvement, de chaleur et de masse
- Dissipation d'énergie : Le frottement turbulent convertit l'énergie cinétique en chaleur
Sources de turbulence dans les machines
Perturbations d'admission
- Mauvaise conception de l'admission : Virages serrés, obstacles, longueur droite inadéquate
- Tourbillon: Pré-rotation du fluide entrant dans la turbine/le ventilateur
- Vitesse non uniforme : Profil de vitesse déformé par rapport à l'idéal
- Effet: Intensité de turbulence accrue, vibrations élevées, performances réduites
Séparation des flux
- Gradients de pression défavorables : Le flux se sépare des surfaces
- Fonctionnement hors conception : Angles d'écoulement incorrects provoquant une séparation des pales
- Décrochage: Séparation étendue côté aspiration de la lame
- Résultat: Intensité de turbulence très élevée, forces chaotiques
Régions de sillage
- Sillages turbulents en aval des pales, des entretoises ou des obstacles
- Forte intensité de turbulence dans le sillage
- Les composants en aval subissent des forces instables
- L'interaction lame-sillage est importante dans les machines à plusieurs étages
régions à grande vitesse
- L'intensité de la turbulence augmente généralement avec la vitesse
- Régions de pointe de turbine, buses de refoulement, zones à forte turbulence
- Crée des forces et une usure localisées élevées
Effets sur les machines
Génération de vibrations
- Vibration à large bande : La turbulence crée des forces aléatoires sur une large gamme de fréquences
- Spectre: Niveau de bruit élevé plutôt que pics discrets
- Amplitude: Augmente avec l'intensité de la turbulence
- Gamme de fréquences : Généralement 10 à 500 Hz pour les vibrations induites par la turbulence
Génération de bruit
- La turbulence est la principale source de bruit aérodynamique
- Son “ sifflement ” ou “ ruissellement ” à large bande
- Niveau de bruit proportionnel à la vitesse^6 (très sensible à la vitesse)
- Peut être une source de bruit dominante dans les ventilateurs à grande vitesse
Pertes d'efficacité
- Le frottement turbulent dissipe l'énergie
- Réduit l'augmentation de la pression et le débit délivré
- Pertes typiques dues à la turbulence : 2-10% de puissance d'entrée
- Augmente avec un fonctionnement hors conception
Fatigue des composants
- Des forces fluctuantes aléatoires créent des contraintes cycliques
- Cycle de stress à haute fréquence
- Contribue à la lame et à la structure fatigue
- Particulièrement préoccupant à haute vitesse
Érosion et usure
- La turbulence favorise l'érosion dans les services abrasifs
- Les particules suspendues par la turbulence impactent les surfaces
- Usure accélérée dans les régions à forte turbulence
Détection et diagnostic
Indicateurs de spectre de vibrations
- Haut débit élevé : Niveau de bruit élevé sur tout le spectre
- Absence de pics discrets : Contrairement aux défauts mécaniques ayant des fréquences spécifiques
- Dépend du débit : Le niveau de bande passante varie en fonction du débit
- Minimum au BEP : Turbulence la plus faible au point de conception
Analyse acoustique
- Mesures du niveau de pression acoustique
- L'augmentation du bruit à large bande indique des turbulences
- Spectre acoustique similaire au spectre de vibration
- Les microphones directionnels peuvent localiser les sources de turbulence
Visualisation du flux
- Dynamique des fluides numérique (CFD) pendant la conception
- Flux de flux ou visualisation de fumée en test
- Mesures de pression montrant des fluctuations
- Vélocimétrie par images de particules (PIV) dans la recherche
Stratégies d'atténuation
Améliorations de la conception de l'admission
- Prévoir une longueur de tuyau droite adéquate en amont (5 à 10 diamètres minimum)
- Éliminer les virages serrés immédiatement avant l'admission
- Utiliser des redresseurs de flux ou des aubes directrices
- Les entrées en forme de cloche ou profilées réduisent la génération de turbulences
Optimisation du point de fonctionnement
- Fonctionner à proximité du point d'efficacité optimale (BEP)
- Les angles d'écoulement correspondent aux angles des lames, minimisant ainsi la séparation
- Génération minimale de turbulences
- Contrôle de vitesse variable pour maintenir un point optimal
Modifications de conception
- Transitions douces dans les passages d'écoulement (pas d'angles vifs)
- Diffuseurs pour ralentir progressivement le flux
- Suppresseurs de vortex ou dispositifs anti-tourbillons
- Revêtement acoustique pour absorber le bruit généré par les turbulences
Turbulence et autres phénomènes d'écoulement
Turbulence vs. Cavitation
- Turbulence: Large bande passante, continue, dépendante du débit
- Cavitation: Impulsif, fréquence plus élevée, dépendant du NPSH
- Les deux: Ils peuvent coexister, les deux créent des vibrations à large bande
Turbulence vs. Recirculation
- Turbulence: Aléatoire, large bande passante, présent à tous les flux
- Recirculation : Instabilité organisée, pulsations de basse fréquence, uniquement à faible débit
- Relation: Les zones de recirculation sont très turbulentes
La turbulence d'écoulement est une caractéristique inhérente à l'écoulement des fluides à grande vitesse dans les machines tournantes. Bien qu'inévitable, son intensité et ses effets peuvent être minimisés grâce à une conception d'entrée appropriée, un fonctionnement proche du point de conception et une optimisation de l'écoulement. Comprendre la turbulence comme source de vibrations et de bruit à large bande permet de la distinguer des défauts mécaniques à fréquence discrète et d'orienter les actions correctives appropriées, axées sur les conditions d'écoulement plutôt que sur les réparations mécaniques.
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