Qu’est-ce que la force de levage hydraulique – Définition

En dynamique des fluides , la traînée est une force agissant à l’opposé du mouvement relatif de tout objet en mouvement. La force qu’un fluide en écoulement exerce sur un corps dans le sens de l’écoulement. Contrairement à d’autres forces résistives, telles que le frottement à sec, qui sont presque indépendantes de la vitesse, les forces de traînée dépendent de la vitesse. La force de traînée est proportionnelle à la vitesse pour un écoulement laminaire et à la vitesse au carré pour un écoulement turbulent. La traînée est généralement causée par deux phénomènes:

• 

  Frottement de la peau . En général, lorsqu’un fluide s’écoule sur une surface stationnaire , par exemple la plaque plate, le lit d’une rivière ou la paroi d’un tuyau, le fluide touchant la surface est amené au repos par la contrainte de cisaillement sur la paroi. La région dans laquelle l’écoulement s’ajuste de la vitesse nulle à la paroi à un maximum dans le courant principal de l’écoulement est appelée la couche limite . Par conséquent, un fluide en mouvement exerce des forces de cisaillement tangentielles sur la surface en raison de l’ état antidérapant provoqué par des effets visqueux. Ce type de force de traînée , dépend notamment de la géométrie, de la rugosité de la surface solide et du type d’écoulement de fluide.

• Faire glisser le formulaire . La traînée de forme, également appelée traînée de pression, résulte de la forme et de la taille de l’objet. Ce type de force de traînée est une conséquence intéressante de l’ effet de Bernoulli . Selon le principe de Bernoulli, l’air en mouvement plus rapide exerce moins de pression. Cela provoque, qu’il peut y avoir une différence de pression entre les surfaces de l’objet. La taille générale et la forme du corps sont les facteurs les plus importants de la traînée de forme . En général, les corps ayant une section géométrique présentée plus grande auront une traînée plus élevée que les corps plus minces.

Ces deux forces, en général, ont des composants dans la direction de l’écoulement, et donc la force de traînée résultante est due aux effets combinés de la pression et des forces de frottement de la peau dans la direction de l’écoulement.

Lorsque les coefficients de frottement et de traînée de pression sont disponibles, le coefficient de traînée total est déterminé en les ajoutant simplement:

Aux faibles nombres de Reynolds , la traînée est principalement due à la traînée de friction . C’est particulièrement le cas pour les corps très aérodynamiques tels que les profils aérodynamiques. En revanche, à un nombre de Reynolds élevé , la chute de pression est importante, ce qui augmente la traînée de forme.

Les composantes des forces de pression et de frottement cutané dans la direction normale de l’écoulement ont tendance à déplacer le corps dans cette direction, et leur somme est appelée portance .

En aéronautique, la portance est une force à action ascendante sur une aile ou une aile d’ avion. Le principe de Bernoulli exige que le profil aérodynamique soit de forme asymétrique .

Force de traînée – Équation de traînée

La force de traînée, F _D , dépend entre autres de la densité du fluide, de la vitesse en amont et de la taille, de la forme et de l’orientation du corps. Une façon d’exprimer cela est au moyen de l’ équation de traînée . L’ équation de traînée est une formule utilisée pour calculer la force de traînée subie par un objet en raison du mouvement à travers un fluide.

La zone de référence, A, est définie comme la zone de projection orthographique de l’objet sur un plan perpendiculaire à la direction du mouvement. Pour les objets creux, la zone de référence peut être significativement plus grande que la zone de coupe transversale, mais pour les objets non creux, elle est exactement la même qu’une zone de coupe transversale.

Exemple: force de traînée – coefficient de traînée – faisceau de carburant

Calculer la traînée de frottement d’une barre de combustible unique à l’  intérieur d’un cœur de réacteur en fonctionnement normal (débit de conception). Supposons que ce crayon de combustible fait partie d’un faisceau de combustible avec le réseau de combustible rectangulaire et que ce faisceau de combustible ne contient pas de grilles d’espacement. Sa hauteur est h = 4 m et la vitesse d’écoulement du cœur est constante et égale à V _cœur = 5 m / s.

Suppose que:

• le diamètre extérieur du revêtement est: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm
• le pas des goupilles de combustible est: p = 13 mm
• la rugosité relative est ε / D = 5 × 10 ^-4
• la densité du fluide est: ρ = 714 kg / m ³
• la vitesse d’écoulement du cœur est constante et égale à V _cœur = 5 m / s
• la température moyenne du liquide de refroidissement du réacteur est: T en _vrac = 296 ° C

Calcul du nombre de Reynolds

Pour calculer le nombre de Reynolds , nous devons savoir:

• le diamètre extérieur du revêtement est: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm (pour calculer le diamètre hydraulique)
• le pas des goupilles de combustible est: p = 13 mm  (pour calculer le diamètre hydraulique)
• la viscosité dynamique de l’eau saturée à 300 ° C est: μ = 0,0000859 Ns / m ²
• la densité du fluide est: ρ = 714 kg / m ³

Le diamètre hydraulique, D _h , est un terme couramment utilisé pour gérer le débit dans des tubes et canaux non circulaires . Le diamètre hydraulique du canal de carburant , D _h , est égal à 13,85 mm .

Voir aussi: Diamètre hydraulique

Le nombre de Reynolds à l’intérieur du canal de carburant est alors égal à:

Cela satisfait pleinement les conditions turbulentes .

Calcul du coefficient de friction cutanée

Le facteur de frottement pour un écoulement turbulent dépend fortement de la rugosité relative. Il est déterminé par l’équation de Colebrook ou peut être déterminé à l’aide du diagramme de Moody . Le graphique de Moody pour Re = 575 600 et ε / D = 5 x 10 ^-4 renvoie les valeurs suivantes:

• le facteur de friction de Darcy est égal à f _D = 0,017
• le facteur de friction Fanning est égal à f _F = f _D / 4 = 0,00425

Le coefficient de frottement cutané est donc égal à:

Calcul de la force de traînée

Pour calculer la force de traînée , nous devons savoir:

• le coefficient de frottement cutané, qui est: C _{D, frottement} = 0,00425
• l’aire de la surface de la broche, qui est: A = π.dh = 0,1169 m ²
• la densité du fluide , qui est: ρ = 714 kg / m ³
• la vitesse d’écoulement du cœur, constante et égale à V _cœur = 5 m / s

À partir du coefficient de friction de la peau, qui est égal au facteur de friction de Fanning, nous pouvons calculer la composante de friction de la force de traînée. La force de traînée est donnée par:

En supposant qu’un assemblage combustible puisse avoir, par exemple, 289 goupilles combustibles (assemblage combustible 17×17), la composante frictionnelle de la force de traînée est alors de l’ordre du kilonewton . De plus, cette force de traînée provient uniquement du frottement de la peau sur le faisceau de combustible. Mais l’assemblage combustible PWR typique contient d’autres composants, qui influencent l’hydraulique de l’assemblage combustible:

• Barres de combustible . Les crayons combustibles contiennent le carburant et les poisons combustibles.
• Buse supérieure . Fournit le support mécanique de la structure d’assemblage combustible.
• Buse inférieure . Fournit le support mécanique de la structure d’assemblage combustible.
• Grille d’espacement . Assure un guidage précis des crayons combustibles.
• Guide tube de dé à coudre . Tube vide pour barres de contrôle ou instrumentation in-core.

Comme il a été écrit, le deuxième composant de la force de traînée est la traînée de forme. La traînée de forme, également appelée traînée de pression, résulte de la forme et de la taille de l’objet. La traînée de pression est proportionnelle à la différence entre les pressions agissant à l’avant et à l’arrière du corps immergé et la zone frontale.

Chute de pression – assemblage de carburant

En général, la chute de pression totale de l’assemblage combustible est formée par la chute de friction du faisceau de combustible (en fonction de la rugosité relative des crayons combustibles, du nombre de reynolds , du diamètre hydraulique , etc.) et d’autres chutes de pression des éléments structurels (buse supérieure et inférieure, grilles d’espacement ou grilles de mélange ).

En général, il n’est pas si simple de calculer les chutes de pression dans les assemblages combustibles (en particulier les grilles d’espacement) et il appartient au savoir-faire clé de certains fabricants de carburants. La plupart du temps, les chutes de pression sont mesurées dans des boucles hydrauliques expérimentales , plutôt que calculées.

Les ingénieurs utilisent le coefficient de perte de pression , PLC . Il est noté K ou ξ  (prononcé «xi»). Ce coefficient caractérise la perte de charge d’un certain système hydraulique ou d’une partie d’un système hydraulique. Il peut être facilement mesuré dans les boucles hydrauliques. Le coefficient de perte de charge peut être défini ou mesuré pour les deux tuyaux droits et en particulier pour les pertes locales (mineures) .

En utilisant les données de l’exemple mentionné ci-dessus, le coefficient de perte de pression (seulement le frottement du tuyau droit) est égal à ξ = f _D L / D _H = 4,9 . Mais le coefficient global de perte de pression (y compris les grilles d’espacement, les buses supérieure et inférieure, etc.) est généralement environ trois fois plus élevé. Cet automate ( ξ = 4,9 ) provoque que la chute de pression est de l’ordre de ( en utilisant les entrées précédentes) Dp _friction = 4,9 x 714 x 5 ² /2 = 43,7 kPa (sans grilles, embouts supérieur et inférieur d’ espacement). Un PLC réel environ trois fois plus élevé signifie un _carburant  Δp environ trois fois plus élevé .

La perte de charge globale du réacteur, _réacteur Δp , doit comprendre:

• descente et fond de réacteur
• plaque de support inférieure
• assemblage de combustible comprenant des grilles d’espacement, des buses supérieure et inférieure et d’autres composants structurels –  Δp _fuel
• ensemble de structure de guidage supérieur

En conséquence, la perte de charge globale du réacteur –  _réacteur Δp est généralement de l’ordre de centaines de kPa (disons 300 – 400 kPa) pour les paramètres de conception.