Lance d'arrosage : passage inattendu du jet pluie au jet compact

[BoatHyc]

Bonjour à tous,

Je suis étudiant à l'Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers, et je réalise actuellement un projet de mécanique des fluides concernant une lance d'arrosage (contrairement aux apparences, c'est très sérieux !).

Sous certaines conditions, il est possible de passer directement du jet pluie au jet compact avec un certain type de lance (voir photo), soit en plongeant la lance dans l'eau, soit en "pinçant" le jet d'eau entre les doigts à la sortie de la lance.
Ce phénomène est observable sur les lances d'arrosage de toutes marques et n'est a priori pas prévu par les constructeurs.
Sur ces mêmes lances, il arrive aussi qu'en tournant la buse d'un certain angle, le jet, jusqu'alors compact, devienne un jet pluie de manière brutale, et non progressivement comme prévu.
Mon projet a pour but de déterminer la cause de ces deux comportements.

J'ai déjà commencé à faire quelques mesures : j'ai relevé l'angle du jet et le débit volumique en fonction du déplacement axial de la buse par rapport au corps de la lance, et ce pour les deux sens de rotation de la buse (ceux qui ont déjà utilisé une lance de ce type comprendront). Résultat : lorsqu'on tourne la buse dans le sens horaire sans toucher au jet (en partant d'un jet pluie, donc), tout se passe normalement, mais quand on tourne la buse dans l'autre sens (en partant du jet compact), le jet reste compact jusqu'à une certaine valeur du déplacement de la buse, et devient subitement un jet pluie très élargi, puis suit une évolution normale jusqu'à la butée. Entre les positions axiales de la buse 5 mm et 7 mm, le fait de plonger la lance dans l'eau transforme un jet pluie en jet compact, sans que j'aie à toucher à la buse, ce qui correspond à l'intervalle dans lequel la forme du jet dépend du sens de rotation de la buse. Côté débit, on a 19.5 l/min pour le jet pluie (quelque soit la position de la buse) et 21 l/min pour le jet compact (quelque soit la position de la buse aussi).

Je n'ai trouvé aucune explication à ces deux phénomènes (qui, j'en suis sûr, sont liés) jusqu'ici. Quelqu'un a une idée ?

Merci d'avance
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[Gilgamesh]

A priori, je penserais au déplacement plus ou moins progressif d'une pièce au sein de la buse. Pour le savoir, je commencerais à désosser complètement le dispositif et à en faire un plan en coupe détaillé.

[jiherve]

Bonjour,
il me semble avoir lu un truc la dessus, mais il y a longtemps, de mémoire c’était liè à l'apparition d'une turbulence dans la buse.
JR

[Resartus]

Au risque de dire une bêtise, il me semble que c'est une manifestation de l'effet coanda, qu'on peut constater aussi sur le rebord d'une théiere par exemple..

Tant que le jet de thé ne touche pas la paroi, tout va bien, mais on redresse la théiere jusqu'à ce qu'il touche, il reste collé et le point de contact "remonte" vers le haut. On peut alors réincliner la théière sans qu'il se détache.

Ici, ce serait les fins jets de la pluie qui subissent cet effet. S'ils sont continus, et qu'ils sont trop proches, il suffit qu'une légère variation les fasse se toucher à quelques cm de la buse, et l'effet Coanda va les rapprocher pour faire un jet compact. C'est pour la même raison qu'après un passage dans l'eau, le jet reste compact
Si par contre, les gouttelettes se forment rapidement (car un jet cylindrique est instable), les fins jets ne sont plus continus, et l'effet ne peut plus "remonter" vers la buse. La longueur de stabilité du jet dépend de pas mal de paramètres (nombre de reynolds en particulier). Je ne me souviens plus des détails, mais on doit pouvoir trouver cela sur internet

Je suppose qu'on pourrait faire des tests en mettant un peu d'émulsifiant dans l'eau pour diminuer sa tension superficielle, et que cela modifierait sensiblement les valeurs trouvées et le comportement

[A voir en vidéo sur Futura]

[obi76]

Au risque de dire une bêtise, il me semble que c'est une manifestation de l'effet coanda, qu'on peut constater aussi sur le rebord d'une théiere par exemple..

Au début c'est ce que je pensais, mais l'effet Coanda marche avec des écoulements à faible vitesse, là ce n'est pas le cas. Non je serai plus tenté par l'explication de jiherve : a partir d'une certaine ouverture on a une géométrie qui permet l'installation d'une turbulence, et donc de la forme de l'écoulement. Avec un plan détaillé de la coup de la buse on pourrait savoir et calculer le Reynolds.

[BoatHyc]

Bonjour,

J'ai déjà désossé la lance, et la coupe longitudinale se trouve dans le pdf lié à mon premier message.

[BoatHyc]

La vitesse de l'eau en sortie de la buse est de l'ordre de 3.2 m/s, avec un nombre de Reynolds de 16000, ce qui correspond à un régime turbulent, étant donnée la géométrie. On peut donc écarter l'effet Coanda.

L'hypothèse des turbulences me semble assez probable, et il y a effectivement un intervalle d'ouverture (donc une certaine géométrie) pour lequel le phénomène se produit. Reste à savoir où se situent les turbulences et pourquoi leur apparition dépend des conditions initiales pour ces géométries-là.

[obi76]

La vitesse de l'eau en sortie de la buse est de l'ordre de 3.2 m/s, avec un nombre de Reynolds de 16000, ce qui correspond à un régime turbulent, étant donnée la géométrie. On peut donc écarter l'effet Coanda.

L'hypothèse des turbulences me semble assez probable, et il y a effectivement un intervalle d'ouverture (donc une certaine géométrie) pour lequel le phénomène se produit. Reste à savoir où se situent les turbulences et pourquoi leur apparition dépend des conditions initiales pour ces géométries-là.

Un Reynolds de 16000, mais là faites extrêmement attention : où se développerai la turbulence, et quelle grandeur caractéristique faut-il associer ? Le 16000 que vous avez c'est avec quoi comme longueur caractéristique ?

[BoatHyc]

Un Reynolds de 16000, mais là faites extrêmement attention : où se développerai la turbulence, et quelle grandeur caractéristique faut-il associer ? Le 16000 que vous avez c'est avec quoi comme longueur caractéristique ?

J'ai pris comme longueur caractéristique le diamètre de l'obstacle permettant d'élargir le jet (le bout de la partie grise sur la photo), qui mesure 6 mm.

[obi76]

Oui mais d'où la question : si la turbulence apparaît et change l'écoulement. Personnellement je pense que si la turbulence apparaît, c'est en amont de l'ouverture (entouré en rouge) :



Les dimensions caractéristiques de cette zone dépend de l'ouverture, et est moins grande que le diamètre que vous avez considéré : donc un Reynolds qui dépend de l'ouverture et plus faible que ce que vous avez calculé : ça me parait plausible (au pif).

[BoatHyc]

Cette photo a été prise lorsque la tête vient en butée contre la buse (soit pour le jet le plus élargi possible). Dans cette configuration, on doit avoir effectivement une turbulence à cet endroit, due à un rétrécissement du conduit, qui s'accompagne d'une forte baisse de débit (observée et mesurée) et d'une augmentation de la pression dans la buse par rapport aux autres configurations. Seulement, le passage spontané au jet compact ne se produit pas pour cette configuration.
Pour ma part, je pense plutôt que les turbulences à l'origine du phénomène se produisent à la sortie de la buse, et que le bord extérieur à l'extrémité de la buse pourrait jouer un rôle dans leur apparition (ça expliquerait notamment qu'agir sur le jet directement en sortie de la buse avec les doigts suffise pour passer à un jet compact).

[obi76]

Hmmm c'est possible aussi. Je vais y réfléchir, pour le coup c'est intéressant