Dans le cadre des directives européennes SER (Développement d'Énergie Renouvelable), DCE

(Directive Cadre sur l'Eau), et des plans de restauration de la continuité écologique (Trame bleue, Plan de gestion de l'anguille), la nécessité de limiter, voire d’annuler, les dommages liés à la dévalaison des poissons au niveau des centrales hydroélectriques (mortalités au passage par les turbines) apparaît comme une priorité. Les contraintes biologiques de nombreuses espèces de poissons, essentiellement migratrices, doivent alors être intégrées dans la conception des prises d’eau dites ichtyocompatibles, au même titre que les dimensionnements hydraulique et mécanique. L’objectif est d’obtenir des taux de survie des poissons dévalant proches de 100% au niveau de chaque aménagement, de manière à limiter l’impact cumulé sur les axes de migration [...

Chatellier, Ludovic

Courret, Dominique

David, Laurent

Larinier, Michel

Wang, Ruey-Wen

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Any correspondence concerning this service should be sent to the repository administrator: staff-oatao@inp-toulouse.fr                      This is an author-deposited version published in: http://oatao.univ-toulouse.fr/  Eprints ID: 11257 To cite this version:  Chatellier, Ludovic and Wang, Ruey-Wen and David, Laurent and Courret, Dominique and Larinier, Michel Hydrodynamique de prises d'eau munies de plans de grilles orientés. (2010) In: 12es Journées de l'hydrodynamique, 17 November 2010 - 19 November 2010 (Nantes, France). Open Archive Toulouse Archive Ouverte (OATAO)  OATAO is an open access repository that collects the work of Toulouse researchers and makes it freely available over the web where possible.   HYDRODYNAMIQUE DE PRISES D'EAU MUNIES DE PLANS DE GRILLES ORIENTÉSHYDRODYNAMICS OF TILTED INTAKE TRASHRACKSL. Chatellier1, R.-W. Wang1, L. David1, D. Courret2, M. Larinier21Institut Pprime, Axe HydEE, CNRS - Université de Poitiers - ENSMA, UPR 3346Boulevard Marie et Pierre Curie, Téléport 2, BP 30179, 86962 Futuroscope Cédex2ONEMA, Pôle écohydraulique, IMFT - Allée du Professeur Camille Soula, 31 400 Toulouse I - INTRODUCTION  Dans le cadre des directives européennes SER (Développement d'Énergie Renouvelable), DCE (Directive Cadre sur l'Eau), et des plans de restauration de la continuité écologique (Trame bleue, Plan  de  gestion  de  l'anguille),  la  nécessité  de  limiter,  voire  d’annuler,  les  dommages  liés  à  la dévalaison des poissons au niveau des centrales hydroélectriques (mortalités au passage par les turbines)  apparaît  comme  une  priorité.  Les  contraintes  biologiques  de  nombreuses  espèces  de poissons, essentiellement migratrices, doivent alors être  intégrées dans la conception des prises d’eau dites ichtyocompatibles, au même titre que les dimensionnements hydraulique et mécanique. L’objectif est d’obtenir des taux de survie des poissons dévalant proches de 100% au niveau de chaque aménagement, de manière à limiter l’impact cumulé sur les axes de migration.Pour  être  ichtyocompatible,  une prise  d’eau doit  (1)  arrêter  les  poissons  et  les  empêcher  de transiter par les turbines, (2) assurer un bon guidage du poisson vers les exutoires de dévalaison et (3) transférer les poissons à l’aval de la centrale sans dommage. Un tel dispositif peut être obtenu en adaptant  les  plans  de  grilles  conventionnels  situés  en  amont  des  prises  d'eau.  Les  critères biologiques des différentes espèces concernées font notamment ressortir des exigences concernant l'écartement des barreaux constituant les grilles ainsi que les composantes normale et tangentielle de la vitesse d'approche. Parmi les solutions possibles, l'orientation, ou encore l'inclinaison, du plan de grille par rapport à l'écoulement incident peut permettre le respect de ces contraintes. Ces critères biologiques et comportementaux sont alors à mettre en correspondance avec la nécessité d’assurer le transit du débit turbiné autorisé tout en réduisant au maximum les pertes de charge liés à la présence de la grille. Les critères ainsi identifiés figurent dans le Tableau 1 (Courret & Larinier 2008).Dans ce contexte, une étude expérimentale de l'écoulement à travers un plan de grille orienté est menée.  L'influence des paramètres géométriques et cinématiques sur la topologie de l'écoulement est  détaillée  et  confrontée  aux  critères  biologiques  admissibles.  Dans  la  perspective  de l'implantation d'exutoires permettant d'exploiter  un débit  réservé à la dévalaison des espèces en amont  du  plan  de  grille,  une  attention  particulière  est  portée  aux  composantes  normale  et tangentielle des vitesses d'approche.Critères biologiquesEcartement e<25mm (smolts, truites de mer)Vitesse normale Vn<0.5m/sCritères mécaniquesDébit réservé 2% à 10 % du débit turbinéTableau 1: Critères biologiques et mécaniquesII - PARAMETRES D'ETUDE  La présente étude concerne l'utilisation de plans de grilles orientés dans le plan horizontal de l'écoulement,  comme schématisé  en Figure 1.  Les  caractéristiques d'un prototype  et  du modèle expérimental correspondant à l'échelle 1:2 sont présentées dans le tableau 2.  Figure 1 : Plan de grille orienté par rapport à un écoulement incident et configurations de grilles  étudiéesPrototype (ech. 1:1) Modèle (éch. 1:2)No Reynolds 5000<Red<11000 1750<Red<4000No Froude 0.05<Fr<0.2 0.15<Fr<0.5Vitesse d'approche 0.5m/s<Va<1.1m/s 0.35m/s<Va<0.8m/sProfondeur 3m<h<10m 0,25m<h<0.55mBarreau     Largeur p=40mm p=20mmEpaisseur d=10mm d=5mmEcartement 10mm<e<30mm e={10mm,15mm,20mm,30mm}Blocage 25%<d/(e+d)<50% 14%<d/(e+d)<33%Plan de grille orientéAngle d'approcheProfil de barreauα={30°,60°,45°}Standard ; HydrodynamiqueTableau 2: Paramètres expérimentaux : Prototype et modèle retenusLes  paramètres  géométriques  de  l'étude  sont  l'angle  d'orientation  α du  plan  de  grille  et l'écartement  e des barreaux constituant la  grille. Deux profils  type de barreaux sont  étudiés:  le profil rectangulaire standard utilisé pour ce type de grilles et un profil dit “hydrodynamique” muni d'un bord d'attaque en demi-cercle et d'un bord de fuite en dièdre tronqué. Ces différents paramètres reprennent  pour  partie  les  configurations  retenues  par  Meusburger  (2002)  et  recouvrent  les conditions d'ichtyocompatibilité admises.edpe: écartementd: épaisseurp: largeurIII - DISPOSITIF EXPERIMENTAL  Le dispositif expérimental consiste en un canal ouvert de longueur L=1.9m, de largeur B=0.6m et de hauteur H=0.5m (Figure 1) tracté  dans le  bassin des carènes de l'institut P'. Le niveau d'eau y est fixé à h=0.3m, Les vitesses d'avance retenues sont Vc=0.5, 0.7 et 1.4m/s pour une distance totale parcourue  de  15m.  Le  canal  ainsi  embarqué  est  réalisé  en  PMMA de manière  à  permettre  les mesures  par  PIV.  Des  mesures  de  pression  statique  et  dynamique  sont  également  réalisées  à différentes positions en amont et en aval de la grille.Le dispositif  PIV est  synchronisé avec le système de contrôle du déplacement du chariot  de traction  comme  schématisé  en  Figure  2.  Le  déplacement  automatisé  du  chariot  permet  la spécification de paliers d'accélération, fixés ici à ±0.5m/s² en phases de démarrage et d'arrêt, et de paliers  de  vitesse  constante.   Des  mesures  optiques  indépendantes  de  l'automate  de  contrôle montrent que les consignes de vitesse sont respectées avec une précision de l'ordre de 0.01m/s. Figure 2: Dispositif PIV synchronisé avec le déplacement du chariotChariotaccél.décél. Vitesse constanteCanal embarquédémarrageRégime établi établissementX′(m)   11             9.2     8.2            6.2                                              1       0 TriggerFenêtre PIV Canal embarquéChariotCameraPIV/PCCCDBassin descarènesLaserContrôle chariotSync + TrigFigure 1: Aperçu et dimensions en plan du canal embarqué ; système de coordonnées associé et ligne de mesure des vitesses d'approche.50mmLes mesures de pression ont mis en évidence les zones de démarrage et   d'établissement de l'écoulement de grille. Sur cette base, les mesures de PIV ont été réalisées dans la zone de régime établi  précédant  la  zone  de décélération du système de traction.  La fenêtre  d'interrogation  PIV recouvre la largeur du canal embarqué de manière à permettre la reconstruction partielle des champs instantanés  en  amont  comme  en  aval  du  plan  de  grille,  couvrant  ainsi  l'intégralité  du  canal embarqué. Les paramètres de prise de vue et de calcul PIV sont résumés dans le tableau 3. Chaque mesure PIV est réalisée trois fois afin d'en vérifier la reproductibilité: l'analyse des images et des champs de vitesse obtenus montrent que la précision de synchronisation entre le déplacement et la prise de vue est inférieure à 3μs et que les champs de vitesse en amont de la grille sont quasi-identiques. Malgré le taux élevé de turbulence générée en aval du plan de grille, la topologie de l'écoulement y est également fortement similaire dans les trois tests reproduits. Laser Big Sky Laser, Quantel USA Nd-Yag double-cavité, 120 mJCaméra PULNIX Dual Tap AccuPiXEL12bit,  2048*2048 pxOptiques Nikon 28mmPlan de mesure z=h/2=150mm ; LX*LY=688mm * 688mmEnsemencement RILSAN E5 Blanc 160μmSynchronisation / Acquisition RD Vision EG v.3.42 / Hiris v.4.15*2 images/s (Vc=0.5;0.7 m/s)6*2 images/s (Vc=1.4 m/s)Calcul PIV LaVision Davis 7.2Multi-passes : 64x64@75% ; 32x32@50%Tableau 3: Système et paramètres PIV IV - RESULTATS  L'utilisation d'un canal embarqué muni d'un plan de grille fortement déprimogène génère un écoulement amont dont le conditions d'entrée ne sont pas précisément contrôlées.  Ainsi, les vitesses d'avance de 0.5, 0.7 et 1.4m/s se traduisent par des vitesses d'approche respectives proches de 0.3, 0.4 et 0.7m/s, qui correspondent aux paramètres du Tableau 2.  Les champs PIV instantanés obtenus permettent donc de caractériser la topologie de l'écoulement en amont et en aval du plan de grille dans les différentes zones observées lors du passage du canal embarqué, mais la variabilité des conditions d'entrée en limitera l'analyse.Selon la vitesse de déplacement et la fréquence d'acquisition, une reconstruction du champs de vitesses  en  amont  de  la  grille  est  effectuée  à  partir  de  la  superposition  de  3  (Vc=1.4m/s),  5 (Vc=0.7m/s) ou 7 (Vc=0.5m/s) champs consécutifs.  En aval,  cette reconstruction est  effectuée à partir de 3 (Vc=1.4m/s), 11 (Vc=0.7m/s) ou 14 (Vc=0.5m/s) champs consécutifs, la forte aération de l'écoulement à Vc=1.4m/s ne permettant pas le traitement des images au delà de X=1100mm. Le voisinage immédiat du plan de grille a pu être analysé jusqu'à des distances de l'ordre de 50mm en amont comme en aval.Qualitativement,  la  présence  du  plan  de  grille  orienté  provoque  un  confinement  marqué  de l'écoulement vers la partie aval de la grille.  Le flux tangentiel lié à ce confinement est lui même en compétition avec la paroi opposée et le flux normal au plan de grille induit par l'orientation des barreaux. Dans le cas de référence (α=45°, e=20mm), les déflexions associées à ces deux flux sont aisément visibles sur les lignes de courant amont des Figures 3 et 4, pour les deux profils étudiés. Selon la zone observée, des déflexions de 30° à 60° de l'écoulement en direction de la normale au plan de grille s'effectuent sur une distance de l'ordre de 50mm en amont de la grille.Le flux normal au plan de grille ainsi que les jets créés dans l'entrefer de la grille apparaissent également  nettement  dans  la  zone  aval  de  l'écoulement,  et  se  traduisent  par  une  zone  de recirculation  marquée  dont  l'emprise  est  de  l'ordre  d'une  demi  largeur  de  canal.  L'étendue longitudinale de cette zone peut être estimée comme étant de l'ordre de 2 largeurs de canal. Celle-ci s'accompagne d'une zone de survitesse concentrant la quasi-intégralité du débit traversant le plan de grille. L'étendue importante de la zone de recirculation implique que la partie aval de l'écoulement est fortement marquée par  le confinement. D'un point de vue topologique, ceci se caractérise par la limitation de la pénétration du flux normal au plan de grille, et donc par un redressement artificiel des lignes de courant qui en sont issues. L'emprise de la zone de recirculation en est par conséquent elle-même limitée. Ces observations sont à comparer avec les résultats obtenus par Tsitaka et.al. (2009),  bien  que  la  partie  aval  de l'écoulement  n'y soit  pas  traitée,  pour  lesquels  il  existe  une déflexion initiale liée à la seule l'orientation des barreaux.Malgré le confinement observé, l'écoulement amont à la grille respecte la conservation du débit, calculée  avec  les  deux  composantes  de  vitesses  prises  dans  le  plan  PIV.  L'hypothèse  de bidimensionnalité est donc retenue dans cette zone, tout en n'étant pas valable en aval.Figure 3:  Champs de vitesses instantanées reconstruits en amont et en aval d'un plan de grille à  profils  hydrodynamiques   orienté  à  45°  pour  un  écartement  e=20mm  (cas  de  référence).  Vc=0.5;0.7;1.4m/s.L'adéquation de l'écoulement aux critères biologiques des espèces piscicoles doit être qualifiée à partir de  la distribution  des vitesses normale et tangentielle à l'approche du plan de grille. Ces profils sont ici relevés sur une ligne parallèle au plan de grille positionnée à 50mm en amont de celui-ci (Figure 1). Les Figures  5 à  7 indiquent en premier lieu que les composantes normale et tangentielle sont caractéristiques  du  confinement  de  l'écoulement,  avec  une  prédominance  du  flux  tangentiel  en partie  amont  du  plan  de  grille  et  une  prédominance  graduelle  du  flux  normal  à  l'approche  du montant aval de la grille. Pour ces deux flux, les vitesses maximales sont du même ordre que celle relevées en entrée de canal, les limites biologiques peuvent alors être localement dépassées dans la zone de forte accélération l'écoulement (Vc=1.4m/s, Y>B/2).L'augmentation du nombre de Reynolds a pour effet de retarder la décroissance de la vitesse tangentielle au niveau du montant aval de la grille (Y>2B/3), atténuant ainsi la prédominance d'un flux normal dont les vitesses excèdent les limites biologiques admissibles.L'utilisation  d'un  profil  de  barreau  rectangulaire  ou  hydrodynamique  ne  modifie significativement ni la topologie générale de l'écoulement (Figures  3 et  4) ni la distribution de la Figure 4: Champs de vitesses instantanées reconstruits en amont et en aval d'un plan de grille à  profils standards orienté à 45° pour un écartement e=20mm. Vc=0.5;0.7;1.4m/s.vitesse d'approche en amont du plan de grille (Figure 5). Le profil hydrodynamique apporte une augmentation  de  4%  à  8%  de  la  vitesse  longitudinale,  essentiellement  reportée  sur  la  vitesse tangentielle, ainsi que sur la vitesse normale à hauteur du montant aval de grille. Par ailleurs, l'étude du paramètre géométrique écartement (Figure 6) montre que la topologie de l'écoulement est peu sensible au taux de blocage. La conjonction d'un profil hydrodynamique à un faible écartement de barreaux semble donc à même de favoriser le respect de contraintes biologiques sans provoquer  le blocage de l'écoulement.L'orientation du plan de grille est logiquement le facteur influant le plus fortement la topologie de l'écoulement. Par rapport au cas de référence, un angle de 30°  provoque un blocage conduisant à un défaut de vitesse débitante amont de l'ordre de 7% alors qu'un angle de 60°  autorise une vitesse 18% plus  élevée.  Ce  paramètre  conditionne  de  plus  la  répartition  entre  flux  tangentiel  et  flux normal, comme le montre la Figure 7.D'un strict point de vue biologique, les vitesses normales restent en deçà des limites retenues pour un angle de 30° uniquement, le blocage générant un déficit supplémentaire de vitesse débitante de l'ordre de 9% au niveau du plan de grille. A l'inverse, le faible blocage généré dans le cas d'un Figure 6: Vitesses d'approche normale et tangentielle : influence de l'entrefer de grilleFigure 7: Vitesses d'approche normale et tangentielle : influence de l'angle d'orientationFigure 5: Vitesses d'approche normale et tangentielle : influence du profil de barreauangle de 60° ajoute 8% à à la vitesse débitante dans cette zone, provoquant le dépassement de la limite biologique sur 80% de l'envergure de grille.V - CONCLUSION  Différentes configurations géométriques de plans de grilles orientés par rapport à un écoulement incident ont été testées en canal ouvert. Les mesures par PIV ont permis de décrire les topologies amont et aval de l'écoulement à travers les grilles et on fait ressortir les cas de compatibilité avec les contraintes  biologiques  à  respecter.  Il  apparaît  notamment  qu'une  orientation  supérieure  à  45° s'avère fortement pénalisante. Ces observations sont à mettre en correspondance avec les pertes de charge provoquées au passage du plan de grille. Dans la perspective de l'implantation d'exutoires exploitant un débit d'attrait représentant un faible pourcentage du débit turbiné, la forte déflexion et la  prédominance  marquée  d'un  flux  normal  au  niveau  du  montant  aval  du  plan  de  grille conditionnent l'existence de zones propices à l'insertion d'éléments de guidage. VI - REFERENCES  H. Meusburger, F. Hermann, R. Hollenstein 1999, Comparison of numerical and experimental investigations of trashrack losses, XXVIII IAHR Congress, Graz.H. Meusburger, P. Volkart, H.E. Minor 2001 A new improved formula for calculating trashrack losses, XXIX IAHR Congress, Beijing.D. Courret, M. Larinier 2008 Guide pour la conception de prises d'eau ichtyocompatibles pour les petites centrales hydroélectriques, Rapport GHAAPPE RA.08.09J.M. Tsikata, M.F. Tachie, C. Katopodis 2009 Particle Image Velocimetry Study of Flow near Trashrack Models, Journal of Hydraulic Engineering

Hydrodynamique de prises d'eau munies de plans de grilles orientés

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