Que se passe t-il dans une cloche à plongée si on envoit de l'eau sous pression ?

[namearth2]

Bonjour et merci d'avance pour vos réponses,



Imaginons une cloche à plongée fixée 10 mètres sous le niveau de l'eau. A la surface, 10 mètres plus haut donc, une pompe électrique d'une hauteur manométrique de 5 mètres (0.5 bar) délivre 1 litre par seconde. Ces 2 éléments sont raccordés par un tuyau. La pompe fonctionne, une chute d'eau se crée. La pression à l'entrée de la cloche est donc de 2.5 bars (les 0.5 bar de la pompe + 1 bar de pression terrestre + 1 bar généré par la chute d'eau), j'ai fabriqué un prototype à 10 mètres de profondeur (quelle aventure!!!), l'eau arrive dans la cloche et est évacuée.

Malheureusement, je ne suis pas physicien, ni hydraulicien et je voudrais savoir si :

Dans un système classique (un barrage par exemple), l'eau en chute accélère sous l'effet de la gravité et de sa masse. Après une chute de 10 mètres, sans tenir compte de pertes éventuelles, sa vitesse sera de 50 km/h avec un débit constant.

Dans mon système, qui crée une surpression par une pompe, supérieure à la pression demandée pour évacuer l'eau de la cloche, quelle sera la vitesse de l'eau, au niveau du cercle rouge sur le schéma ? Quel sera le débit ?

Je vous remercie encore une fois pour vos réponses.

Eric
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[phys4]

Bonjour,
Puisqu'il 'agit d'une cloche ouverte, il existe une pression dans la cloche egale à celle de l'eau au niveau de la surface dans la cloche.
Le tuyau de descente d'eau est donc équivalent à l'effet de profondeur, car je suppose que la densité de l'eau envoyée est égale à celle de l'eau du lac.
La seule pression disponible au robinet de la cloche est celle de la pompe 0,5 bar, et il faut calculer la vitesse de sortie uniquement avec cette pression.

Autre façon de voir : en l'absence de pompe l'eau du tuyau est en équilibre entre la cloche et la surface, la hauteur d'arrivée dans la cloche au dessus de la surface, est égale au niveau atteint dans le tuyau au dessus de la surface libre extérieure.

[Dynamix]

quelle sera la vitesse de l'eau, au niveau

1 L/s à tous les niveaux .
En haut en bas , au milieux et sur les bords .
Il n' y a pas d' accélération , car ce qui entre est égal à ce qui sort .
La vitesse quand à elle dépend de la section des canalisations .

[namearth2]

Bonjour,

vos arguments sont bons et intéressants mais ne répond pas à ma question, sauf pour le débit.
Ce qui entre, ressort (soit 1l/s dans notre cas)--> OK (même si l'eau arrive dans un milieu pressurisé ? 2 bars ici.)
A quelle vitesse? cela dépend uniquement de la section des tuyaux et non pas de la gravité (?). imaginons ce même système à 20 mètres de profondeur. L'eau ne serait donc pas accélèrée ?

C'est peut-être le cas mais pourquoi?

Merci de vos réponses.

[A voir en vidéo sur Futura]

[harmoniciste]

Bonjour namearth2
Puisque vous décrétez que le débit sortant de la pompe est 1l /s quelles que soient les conditions de pression, ce débit est le même d'un bout à l'autre, sauf à considérer un tuyau percé.

Concernant la vitesse, l'eau étant incompressible, elle est telle que le débit immuable de 1l/s traversera les différentes sections de passage. Par exemple 10 m[SUP]3[SUP]/s /10^-4m² si votre tube fait 1 cm² de section soit 10 m/s

[le_STI]

Salut.

Dans mon système, qui crée une surpression par une pompe, supérieure à la pression demandée pour évacuer l'eau de la cloche, quelle sera la vitesse de l'eau, au niveau du cercle rouge sur le schéma ? Quel sera le débit ?

A peu près la même que s'il n'y avait pas la cloche.
L'eau sera simplement refoulée dans un fluide gazeux (l'air contenu dans la cloche) plutôt que liquide (l'eau située à la même profondeur).

[namearth2]

Bonjour le_STI

En fait, je ne décrète pas le débit, vous constaterez dans mon schéma que j'utilise une pompe électrique avec les spécifications suivantes : 1l/s soit 3.6 m3/h, HMT : 5 m soit 0.5 bar, conso: 743 watts.

Et, il existe une différence de pression, puisque cette eau, en chute de 10 m génère une pression d'1 bar à laquelle s'ajoute la pression de la pompe (0.5 bar) et la pression atmosphérique (1 bar), soit 2.5 bars au total. Cette eau tombe dans un milieu pressurisé à 2 bars (loi de Mariotte, voir schéma).

Selon vous, les différences de pression n'ont aucune influence sur le débit de l'eau?

Toujours selon vous, l'eau étant en chute, la gravité joue t-elle toujours? l'eau est-elle accélérée au fur et à mesure de sa chute? OU est-ce que la pression contenue dans la cloche à plongée (2 bars) va freiner son débit et son accélération?

En clair, quelle est la relation entre gravité et pression (inverse)?

Merci pour votre réponse, le_STI

[namearth2]

Bonjour harmoniciste,

En fait, je ne décrète pas le débit, vous constaterez dans mon schéma que j'utilise une pompe électrique avec les spécifications suivantes : 1l/s soit 3.6 m3/h, HMT : 5 m soit 0.5 bar, conso: 743 watts.

Et, il existe une différence de pression, puisque cette eau, en chute de 10 m génère une pression d'1 bar à laquelle s'ajoute la pression de la pompe (0.5 bar) et la pression atmosphérique (1 bar), soit 2.5 bars au total. Cette eau tombe dans un milieu pressurisé à 2 bars (loi de Mariotte, voir schéma).

Selon vous, les différences de pression n'ont aucune influence sur le débit de l'eau?

Toujours selon vous, l'eau étant en chute, la gravité joue t-elle toujours? l'eau est-elle accélérée au fur et à mesure de sa chute? OU est-ce que la pression contenue dans la cloche à plongée (2 bars) va freiner son débit et son accélération?

En clair, quelle est la relation entre gravité et pression (inverse)?

Merci pour votre réponse harmoniciste.

[phys4]

Toujours selon vous, l'eau étant en chute, la gravité joue t-elle toujours? l'eau est-elle accélérée au fur et à mesure de sa chute? OU est-ce que la pression contenue dans la cloche à plongée (2 bars) va freiner son débit et son accélération?

La gravité joue, mais ne fait qu'augmenter la pression en cours de descente.
Vous remarquerez que la différence de pression à la sortie 2,5 - 2 bars est égale à la pression produite par la pompe.

[namearth2]

Bonjour dynamix,

Ok, imaginons que les canalisations soient adaptées pour une vitesse plus grande. la gravité n'entre t-elle pas en ligne de compte? l'eau n'est pas accélérée ?

De plus, l'eau arrive dans un milieu pressurisé. Quel sera l'influence de la pression sur le débit et sur la vitesse ?

[namearth2]

Bonjour Phys4,

Merci de vous intéresser à mon problème.

Pour vous, la gravité joue et ne fait qu'augmenter la pression, n'a t-elle pas un rôle accélérateur de l'eau? selon les lois hydrauliques la gravité accélère un corps en chute de 9.81 m/s2.

Le delta de 0.5 bar que vous mentionnez est vrai, effectivement. Donc, si on est d'accord, Ca revient à dire que j'envoie 1l/s à 0.5 bar. Cette eau est en chute. est-elle accélérée? C'est une réponse déterminante pour moi.

[Dynamix]

Cette eau est en chute.

Elle n' est pas libre .
C' est la pompe qui lui impose sa vitesse .

[phys4]

Le delta de 0.5 bar que vous mentionnez est vrai, effectivement. Donc, si on est d'accord, Ca revient à dire que j'envoie 1l/s à 0.5 bar. Cette eau est en chute. est-elle accélérée? C'est une réponse déterminante pour moi.

Elle n'est pas accélérée car elle est en équilibre avec l'eau extérieure.
En l'absence de pompe, il n'y aura pas de circulation d'eau, c'est ce que je voulais expliquer depuis le début.

[namearth2]

Et la gravité terrestre ? qu'en est -il ?

[namearth2]

Oui, mais "l'eau ne tombe pas dans l'eau" mais dans un milieu aérien et en plus, à une pression plus forte (2,5 bars) que celle contenue dans la cloche (2 bars). Tenant compte de ces éléments, l'eau doit donc être accélérée lors de sa chute? Dans quelle mesure?

J'ai réalisé une expérience équivalente et je constate que je dope les performances de ma pompe de 30% (pompe 3.6 m3/h posée à 16 mètres de haut -> mise en route -> prise de débit au sol :+/- 5 m3)

[phys4]

J'ai réalisé une expérience équivalente et je constate que je dope les performances de ma pompe de 30% (pompe 3.6 m3/h posée à 16 mètres de haut -> mise en route -> prise de débit au sol :+/- 5 m3)

La matière d'un milieu ne tombe pas quand elle se trouve dans le même milieu, ainsi une colonne d'eau ne tombe pas dans l'eau, car les pressions augmentent à l'identique pour la colonne et le milieu ambiant.
Par contre dans des milieux différents c'est possible; un colonne d'eau tombe dans l'air, bien sur.

L'expérience avec le tube et la pompe dans l'air donne une augmentation de débit, et vous pouvez constater que vous n'avez pas besoin de pompe pour faire circuler l'eau ! Dans l'expérience initiale, l'eau ne circule pas sans pompe, car le tube d'eau se trouve dans l'eau. D'après ce que voie, vous confondez le milieu environnant avec celui où se trouve les extrémités du tube : ce n'est pas ce qui compte, il suffit de le voir avec les variations de pression.

[harmoniciste]

j'utilise une pompe électrique avec les spécifications suivantes : 1l/s soit 3.6 m3/h, HMT : 5 m soit 0.5 bar, conso: 743 watts.

Ces indications sont un court résumé des possibilités de la pompe:
Débit maxi de 1 litre par seconde quand la contre-pression est nulle OU Pression maxi de 0,5 bar quand le débit est empêché (nul) . Entre ces deux points de fonctionnement , elle produira un débit et une pression intermédiaire.

il existe une différence de pression, puisque cette eau, en chute de 10 m génère une pression d'1 bar à laquelle s'ajoute la pression de la pompe (0.5 bar) et la pression atmosphérique (1 bar), soit 2.5 bars au total. Cette eau tombe dans un milieu pressurisé à 2 bars (loi de Mariotte, voir schéma).

Si vous immergez verticalement un tuyau dans l'eau, la pression aux différents niveaux (pression statique due à la gravité) ne créera aucun débit, car elle est contre-balancée par la pression statique extérieure.
Ainsi, vue de la pompe, le rôle de la gravité disparait et il ne reste que les contre-pressions liées à la vitesse contre les parois internes du tube (pertes de charge)

En supposant que la canalisation est de diamètre suffisant pour négliger ces pertes de charge, le débit sera donc de 1 litre/s (maxi de la pompe) en tous points de la canalisation, jusqu'à la sortie en bas de la cloche.

[harmoniciste]

Et pour compléter ma réponse, l'eau n'est en chute libre qu’après la sortie du tuyau, à l'intérieur de cloche. Dans le tuyau, elle n'est pas en chute et sa vitesse n'est pas accélérée par la gravité: elle ne dépend que du débit de la pompe, et de la section du tuyau, comme mes prédécesseurs vous l'ont déjà dit.

Vous trouverez une calcul de perte de charge ici: https://www.tlv.com/global/FR/calcul...gh-piping.html
Il donne par exemple 0.13 bar de chute de pression dans un tuyau de 25 mm de diamètre pour une longueur de 12 m, lorsque le débit est de 1 litre/s.
Le débit de votre pompe ne sera plus que de 0,8 l/s environ sous cette pression de 0.13 bar, et la vitesse dans le tuyau de 25 mm, sera d'environ 1.5 m/s

PS: La hauteur de chute dans la cloche n'a pas été prise en compte ici. il conviendrait normalement de l'ajouter (0,05 bars si la sortie du tuyau est 0.5m au dessus du niveau de l'eau dans la cloche)