Aéraulique
Les mouvements de l’air
Le débit
Le débit est la quantité de fluide qui passe dans une section donnée par unité de temps. Cette notion fait donc intervenir la vitesse de circulation du fluide et la surface de l’orifice de passage. La mesure de cette surface S, exprimée en m2, multipliée par la vitesse v, exprimée en m/s, donne un débit exprimé en m3/s.
Q = v × S
Comme les débits habituellement traités sont souvent inférieurs au m3/s, la mesure la plus couramment utilisée est le m3/h. (Q = 1 m3/s équivaut à Q = 3600 m3/h).
La différence de densité
Les mouvements de l’air peuvent être provoqués par des différences de densité. Comme chacun sait, l’air chaud monte. Selon le principe d’Archimède, c’est parce qu’il y a une densité inférieure à celle de l’air environnant et que ce dernier le repousse vers le haut en raison de la différence de pesanteur. Pour rappel, la densité de l’air à 20°C est d’environ 1,2 kg/m3.
La convection
Le mouvement de l’air provoqué par la différence de température s’appelle la convection naturelle. Dans les espaces intérieurs, ces mouvements de convection sont moins puissants que ceux générés par les ventilateurs (convection forcée), mais pas négligeables pour autant. Ce phénomène de convection naturelle peut s’observer au-dessus des radiateurs ou des projecteurs électriques et des points chauds en général. Afin de les observer, des conditions d’éclairage particulières (contre-jour) doivent être mises en œuvre. Un autre aspect consécutif de ce phénomène est celui de la tendance de l’air froid à descendre, il est particulièrement sensible le long des parois froides (i.e. fenêtres). Des générateurs d’aérosols techniques de visualisation peuvent permettre de mettre en évidence ces mouvements.
La stratification
En l’absence de mouvement, ou lorsque les mouvements sont lents et réguliers, l’air forme des couches ayant des températures homogènes qui se superposent, l’air le plus chaud étant au contact du plafond. Ainsi, l’air qui descend le long d’une paroi froide va s’étaler au sol comme une nappe. Cette tendance à la stratification de l’air immobile ou en mouvement lent (moins de 20 cm/s) est utilisée dans la technique de climatisation par déplacement d’air.
La notion de pression
La différence de pression (∆P)
Dans l’atmosphère, dès qu’il existe une différence de pression entre deux points, l’air se dirige du point de plus haute pression vers le point de plus basse pression. Compte tenu des phénomènes -dus en particulier aux variations de température-, les pressions au sol et en différents points de l’atmosphère ne sont pas identiques. Des vents sont ainsi créés par l’air qui est poussé d’une haute pression vers une basse pression. Plus l’écart entre ces pressions est important et plus le vent est rapide.
| À savoir : unité de mesure le pascal (Pa)L’unité de mesure SI de la pression est le pascal. Auparavant, on utilisait le millimètre de colonne d’eau (mm CE) qui correspondait à la déviation que l’on peut lire sur un tube en U pour une pression de 1 kg/m2 (le poids d’un litre d’eau répandu sur 1 m2, donc sur une hauteur d’1 mm). Le mm de CE correspond à une pression de 9,81 N/m2 = 9,81 Pa (1 Pa = 0,102 mm CE, relation que l’on arrondit généralement à 10 Pa ≈ 1 mm CE). |
Les différences de pression rencontrées en ventilation pour faire circuler de l’air sont de l’ordre de la centaine de pascals et donc de l’ordre du millième de la pression atmosphérique.
Les pressions
Trois types de pression peuvent être distingués (voir figure 2)
- la pression dynamique : elle correspond à la force requise pour accélérer la masse d’un fluide depuis l’état de repos jusqu’à une vitesse donnée. Elle ne s’exerce que dans la direction de l’écoulement du fluide, elle est toujours positive et elle est généralement notée (Pd) ;
- la pression statique : c’est la pression que l’air exerce sur un élément de paroi perpendiculairement à la direction de l’écoulement. Cette pression peut être soit supérieure, soit inférieure à la pression atmosphérique et elle est généralement notée (Ps) ;
- la pression totale : c’est la somme des pressions statique et dynamique. Elle est généralement notée (Pt). C’est la pression totale qui détermine le choix du ventilateur.
Pour illustrer ces trois pressions, un tube de Pitot est utilisé comme exemple (cf. figure 1).
Figure 1 : Schéma de principe d’un tube de Pitot
Une aiguille creuse est placée dans le flux d’air parallèlement à son écoulement. La pression qu’exerce le courant d’air sur l’extrémité ouverte de l’aiguille se traduit par une déviation de la colonne de liquide dans un tube en U. Cette déviation indique, si la seconde branche du U est mise à l’atmosphère, que la pression dans l’aiguille est plus élevée que celle de l’atmosphère. La différence de niveau nous donne la mesure de cette différence (elle est égale au poids d’eau déplacé). Il s’agit de la pression totale.
On observe également qu’un second conduit entoure l’aiguille creuse. Il est percé de trous périphériques qui laissent passer la pression statique. L’ouverture des trous n’est pas face au flux d’air mais parallèle à son axe. La pression ainsi mise en évidence est appelée « statique« , c’est la même que celle qui s’exerce sur la paroi de la conduite.
La pression dynamique est provoquée par le mouvement de l’air. On la mesure de différentes manières. La plus démonstrative est celle du moyen du tube de Pitot : c’est la hauteur de liquide que l’on trouve sur le tube en U dont une extrémité est reliée à la pression totale et l’autre à la pression statique.
Figure 2 : Mesure des pressions totale, statique et dynamique dans une conduite
Il faut noter que l’expression algébrique de la pression dynamique est toujours positive ou nulle. La figure 2 montre comment s’effectuent les mesures de ces pressions à l’aide du tube de Pitot. On notera que les valeurs diffèrent selon que le ventilateur souffle ou aspire dans un conduit.
La vitesse d’air
D’après le théorème de Bernoulli, il existe une relation entre la pression dynamique (Pd en pascal) et la vitesse du courant d’air (v en m/s). Cette relation est fonction de la densité de l’air (ρ en kg/m3) et donc de sa température. La relation est la suivante :
Pd = ρ × v²/2
En considérant que l’assainissement des atmosphères de travail se fait généralement à température ambiante, on peut remplacer ρ par sa valeur moyenne de 20°C ; la formule devient alors :
Pd = 0,605 × v²
Dans l’autre sens et dans les mêmes conditions de simplification, on obtient la vitesse à partir de la pression dynamique par la relation :
v = 1,28 × (Pd)0,5
Phénomène d’aspiration et de soufflage
L’aspiration
La figure 1 présente les courbes simplifiées d’ isovitesse d’air à l’aspiration d’une simple gaine. Les courbes rouges indiquent la vitesse en % de la vitesse d’origine, en fonction de la distance à l’aspiration, exprimée en % de diamètre de conduite. Il apparaît que la vitesse de l’air décroît très rapidement avec la distance de l’aspiration. Les valeurs sont plus favorables pour une gaine munie d’une collerette. En effet, cette dernière supprime les pertes de débit/pression vers l’arrière et donne ainsi un meilleur profil d’aspiration.
Figure 1 : Courbes simplifiées d’isovitesse d’air à l’aspiration d’une simple gaine : A) sans collerette ; B) avec collerette
Le soufflage
Les caractéristiques du soufflage, contrairement à ce que l’on pourrait penser intuitivement, ne sont pas du tout le contraire de celles de l’aspiration. La figure 2 montre que l’effet de soufflage se disperse beaucoup moins vite que celui d’aspiration.
Figure 2 : Comparaison de la distance impactée par le phénomène d’aspiration et de soufflage
Le schéma ci-dessus ne fait pas apparaître un phénomène qui est toujours lié au soufflage, celui de l’induction. Tout flux d’air engendre autour de lui des perturbations d’autant plus importantes qu’il est rapide. Il provoque à sa périphérie immédiate un phénomène d’entraînement de l’air. Ce phénomène présenté sur la figure 3 est parfois utilisé pour entraîner des flux d’air pollués, mais l’utilisation de jets d’air rapides est délicate car on risque de générer un bruit important et de perturber tout le comportement aéraulique du local.
Figure 3 : Phénomène d’induction
L’utilisation des flux rapides peut se faire à l’intérieur des conduits et en particulier l’effet venturi permet la création d’éjecteurs capables de grandes puissances d’aspiration par induction en utilisant directement de l’air comprimé (cf. figure 4).
Figure 4 : Effet d’induction à l’intérieur des conduits : a) Conduite simple ; b) Venturi
La perte de charge ou la perte de pression
Lorsque l’air se déplace dans un tube ou une gaine, d’un point A vers un point B, il subit des pertes de charge dues aux frottements sur les parois des gaines, dans les coudes plus ou moins serrés et dans tous les autres obstacles qu’il rencontrera sur son passage.
Les pertes de charge sont considérées comme une perte d’énergie qui doit être compensée afin de permettre au fluide de se déplacer. On l’exprime couramment sous la forme d’une différence de pression (on l’appelle aussi ∆P), bien qu’elle soit en fait représentative d’une dissipation d’énergie et qu’elle apparaisse dans le théorème de Bernoulli comme une hauteur de colonne de fluide.
On distingue deux types de pertes de charge :
- Les pertes de charge linéaires : ces pertes de charge sont dues aux frottements du fluide sur la paroi interne des tuyauteries ;
- Les pertes de charge singulières : ces pertes de charge sont dues aux accidents rencontré par l’air (coudes, collerettes, registres, vannes, etc.).
Remarque : Il existe une quantité importante de données et d’abaques permettant de calculer les pertes de charge, disponibles sur internet ou dans des ouvrages techniques.
| Conseils pour diminuer les pertes de charge utiliser des conduits de section circulaire et de grand diamètre ;faire circuler l’air à faible vitesse (sauf si l’on transporte des poussières) ;aller le plus possible en ligne droite et, quand c’est nécessaire, utiliser des courbes de grand diamètre (éviter les coudes à angles droits) ;éviter tout obstacle à l’écoulement de l’air en ligne droite ;profiler les entrées et les sorties. |
Le circuit aéraulique simple
La figure 1 présente un conduit d’air simple avec un ventilateur intercalé, qui fournit un débit sous la pression statique suffisante pour équilibrer le système. Les gaines en amont et en aval du ventilateur ont le même diamètre et laissent passer le même débit. La vitesse de passage est donc la même dans les deux branches.
Figure 1 : Circuit aéraulique simple
À l’entrée du conduit, la pression statique est égale à la pression atmosphérique, on la considère égale à 0. Dans ce cas, en amont du ventilateur le système est en dépression. La pression statique diminue dans la conduite jusqu’à ce que l’on atteigne le ventilateur (- 400 Pa). Elle change de signe dans le ventilateur et diminue ensuite dès la sortie du ventilateur pour se retrouver au niveau 0 à la sortie du conduit. La pression dynamique est créée dès le passage dans la hotte d’aspiration et se stabilise dans la première partie du circuit où le flux d’air est ici à une vitesse de 20 m/s, correspondant à une pression dynamique de 240 Pa. Les diamètres du conduit, en amont et en aval du ventilateur, étant échangés, la vitesse de l’air est constante et donc la pression dynamique reste égale à 240 Pa.
Le circuit aéraulique complexe
Le circuit illustré sur la figure 2 est un peu plus complexe que le précédent car les gaines ont des diamètres différents donc les vitesses de passage changent ainsi que les pressions dynamiques. Comme précédemment, la perte de charge engendrée par les frottements sur les gaines se traduit par un abaissement de la pression statique. En même temps, le flux d’air crée une pression dynamique qui évolue en fonction de sa vitesse, c’est-à-dire inversement à la section des gaines : la pression dynamique baisse lorsque le flux d’air entre dans une zone où la gaine est de diamètre supérieur.
Figure 2 : Circuit aéraulique à vitesse variable
On peut retenir, comme règle de base, que la perte de charge d’une gaine ronde augmente :
de façon proportionnelle à sa longueur ;
en fonction du carré de la vitesse de passage de l’air.
Exemple
Un écoulement dans une gaine lisse de diamètre 350 mm et d’une longueur de 10 m, pour une vitesse d’air de 6 m/s, a un débit de 2100 m3/h et une perte de charge de 20 Pa. Pour la même gaine, un écoulement à une vitesse de 18 m/s (3 fois plus) assurera un débit de 6300 m3/h (3 fois plus), mais une perte de charge de l’ordre de 180 Pa (9 fois plus). Les valeurs de perte de charge du conduit étant liées aux caractéristiques de sa surface intérieure, les fabricants de gaines fournissent généralement des abaques permettant de situer, pour chaque diamètre de gaine, la perte de charge correspondant à une vitesse et/ou un débit donné.
