Hydraulique

L'hydrauliqueest unetechnologieet unescience appliquéeayant pour objet d'étude les propriétés mécaniques desliquideset desfluides.Lamécanique des fluidesest unescience fondamentalequi constitue la base théorique de l'hydraulique.

Un moulin à eau.

L'ingénieriea recours à l'hydraulique pour la génération, le contrôle et la transmission de puissance par l'utilisation de liquides sous pression. Les sujets d'étude de l'hydraulique couvrent des questions scientifiques et des problématiques d'ingénierie. L’ingénierie hydraulique s’intéresse aux concepts dedébitdans destuyaux,à la conception debarrages,à lamicrofluidiqueet auxpompes.

Les principes de l'hydraulique sont utilisés également enbiologiedans lecorps humainpar exemple lesystème cardiovasculaire.

L'hydraulique à surface libreest la branche de l'hydraulique étudiant les débits des écoulement à surface libres, comme lesrivières,lescanaux,leslacs,lesestuaireset lesmers.

Étymologie

Le mothydrauliquevient du motgrecὑδραυλικός/hudraulikós,deὕδραυλος/húdraulos,« orgue à eau », composé deὕδωϱ/húdōr,« eau » etαὐλός/aulós« instrument à vent, tuyau».

Histoire

Les premières traces certaines decaptagesont observées auProche-Orientet datent duNéolithique(9000-6000av. J.-C.). Sur lesplateauxet dans les montagnes, là où l'eau de surface n'était pas pérenne, les habitants ont capté deseaux souterraineset creusé despuits,souvent à l'échelle dufoyer.Certaines de ces installations traditionnelles sont encore utilisées aujourd'hui auxÉmirats arabes unis,enOmanou enArabie saoudite.

Dans le monde méditerranéen, les premiers grands maîtres de cette science furentHéron d'AlexandrieetCtésibios.Ainsi ce dernier perfectionna laclepsydre,inventa unmonte-chargeet unorgue hydraulique,l'hydraule.

De manière générale, lefluideutilisé dans les systèmes hydrauliques (eauouhuile) est incompressible. Unepressionest appliquée au fluide par l'intermédiaire d'unpistondans uncylindre,provoquant une pression équivalente sur un autre piston qui délivre l'énergie. Si lasurfacedu second piston est supérieure à celle du premier, alors laforceexercée par le second piston est supérieure à celle appliquée au premier piston. C'est le principe de lapresse hydraulique,qui a été découvert en1650parBlaise Pascalet mis en application en1785parJoseph Bramah.

Un des fondateurs de l'hydraulique moderne a étéBenedetto Castelli,élève deGalileo Galilei.

Définitions

Anciennement, l'hydraulique désignait la science qui enseigne à mesurer, à diriger et à élever les eaux. Les machines hydrauliques désignaient principalement lespompesemployées à cet effet. L'hydraulique était alors du ressort dufontainieret de ses ouvriers spécialisés: lespompiers,spécialisés dans la fabrication et l'entretien des pompes, et lesplombiers,spécialisés dans le façonnage du plomb.

Louis Vicatlui donnera une signification supplémentaire, l'hydraulicitédésignant la qualité desmortiers,plâtres,chauxetcimentspouvant faire prise sous eau.

Le mothydrauliquedésigne de nos jours deux domaines différents:

• les sciences et les technologies de l'eaunaturelle et de ses usages:hydrologie,hydraulique urbaine,hydrogéologie,etc.(voir lePortail Eau);
• les sciences et les technologies de l'usage industriel des liquides sous pression:hydrostatiqueethydromécanique,oléohydraulique,moteur hydraulique,pompe oléohydraulique,presse hydraulique,machine hydraulique,etc.

Champs d'études de l'hydraulique

Les champs d'études qu'elle propose regroupent plusieurs domaines:

• lesmachines hydrauliques(voirhydromécaniqueetoléohydraulique);
• les écoulements defluides incompressiblesenconduiteou àsurface libre;
• l'énergie hydraulique;
• l'hydraulique urbaine;
• l'hydraulique fluviale;
• l'hydraulique en charge;
• lescanaux.

Les types d'étude hydraulique

Il existe plusieurs types d'études hydrauliques. Ces études consistent à calculer les hauteurs d'eau et les vitesses d'écoulement dans une section mouillée. Toutes ces études utilisent des équations comme celle de Manning-Strickler, Bernouilli, Colebrook ouBarré Saint Venant.

Il est possible de classifier les études hydrauliques en fonction de la complexité des modèles utilisés:

• méthode classique simple sans modélisation (utilisation sans perte de charge complexe ou d'influence aval - souvent dans des sections régulières comme des conduites circulaires, rectangulaires, des fossés en V ou de forme trapézoïdale)
• modélisation 1D (utilisée dans les domaines des risques majeurs - inondation de vallées)
• modélisation casier (utilisée dans les domaines des risques majeurs - inondation de plaines)
• modélisation 1D/2D (utilisée dans les domaines des risques majeurs - inondation de vallées et de plaines et milieu urbain)
• modélisation 3D (utilisée surtout dans les domaines de l'aérospatiale ou l'automobile)

Les outils de modélisation sont nombreux et bien souvent payants mais il existe des logiciels gratuits commeHEC-RASou EPANET. Les codes de calculs de ces outils sont aussi performants que les outils payants mais l'interface est moins bien travaillé.

Dans la législation française (code de l'urbanisme), les permis de construire ou les permis d'aménager sont instruits avec une demande d'étude hydraulique ou notice hydrauliquepermettant d'expliquer à l'administration la gestion des eaux pluviales du futur projet. Certains projets peuvent être en plus soumis au code de l'environnement en fonction de leur importance et de leur impact sur les milieux aquatiques. Les porteurs de projet doivent alors faire valider un dossier appelé dossier "loi sur l'eau" basé sur une étude hydraulique.

Système hydraulique

Le réseau hydraulique

Un réseau hydraulique est typiquement composé de:

• réservoir;
• filtres;
• pompes;
• limiteur de pression(aussi appelédétendeur);
• ballon anticoup de bélier(plus communément appelé « boule d'azote » dans le milieu agricole ou accumulateur de pression);
• clapet anti-retour;
• régulateur dedébit;
• régulateur de pression;
• distributeurs et appareils de régulation;
• valves d'équilibrages;
• clapet parachute(notamment dans le domaine desascensoristes);
• limiteur de capacités;
• flexibles et conduites (en France, les conduites en plomb des années 1950 sont peu à peu remplacées par desconduitesenpolyéthylène haute densitécouramment appelé PEHD);
• clapet unidirectionnel oubypass;
• récepteurs;
• pompe péristaltique.

Comparaison entre systèmes pneumatique et hydraulique

La compression d'ungazdégage de lachaleur,qui est uneénergieperdue. Plus lapressionest élevée, plus la chaleur dégagée est importante. Le rendement est donc plus faible.

Inversement, avec un liquide incompressible (huile, eau), la chaleur dégagée lors de la mise en pression n'est due qu'auxfrottements(déplacement du liquide) et augmente peu avec la pression. On obtient donc des rendements largement supérieurs à ceux obtenus avec des systèmes àair comprimé.

La perte d'énergie due à la circulation d'un fluide dépend: de la longueur du conduit, du diamètre du conduit, des obstacles au déplacement du fluide, de sa vitesse, de la masse volumique du fluide (eau: 1 000 g/l; air non compressé: 1,3g/l).

Mais autant les fuites d'air ont souvent des effets négligeables, ce n'est pas le cas des fuites d'huile (pollution, risque d'incendie, etc.) ou des fuites d'eau (oxydation des pièces voisines, etc.).

Bibliographie

• Pierre Guével,Mécanique des fluides: dynamique des fluides parfaits, écoulements laminaires des fluides visqueux et éléments d'hydraulique industrielle,École Centrale de Nantes, 1971[lire en ligne]
• Jacques Grinevald,L’Architecture hydraulique au xviii^esiècle: un paradigme vitruvien(Contribution à une sociologie historique de la technologie). Itinéraires, notes et travaux,n^o2, Genève, I.U.E.D.,février 1979,29,7 cm, 70 p., ill. (Polycopié.)
• Jacques Grinevald, « Le Monde comme architecture hydraulique »,CoEvolution,Paris,n^o10, Automne 1982, p. 30-33, ill.
• Jean-Pierre Viollet,L’Hydraulique dans les civilisations anciennes: 5000 d’histoire.2^eéd. Revue et corrigée. Paris, Presses de l’École des Ponts et Chaussées, 2004. 24 cm, 383 p., ill. Bibliogr. p. 367-383.
• Jean-Pierre Viollet,Histoire de l’énergie hydraulique: moulins, pompes, roues et turbines de l’Antiquité au xx^esiècle.Paris, Presses de l’École des Ponts et Chaussées, 2005. 24 cm, 232 p., ill. Bibliogr. p. 221-227.

Voir aussi

Articles connexes

• Centre d'études et de recherche de Grenoble

Liens externes

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