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Quelle est la différence entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent ?

11 janvier 2022 Allard Overmeen
Quelle est la différence entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent

L’écoulement laminaire et l’écoulement turbulent sont deux aspects importants à prendre en compte lors de la mesure du débit. Quand un effet de turbulence peut-il survenir ? Quel est l'effet sur votre débitmètre ? Et très important : que pouvez-vous faire pour minimiser les effets nuisibles d’un débit turbulent ? 

Autant de questions qui viennent à l'esprit lorsqu'on travaille avec des débitmètres.
Dans cet article, je vais partager avec vous mes 3 meilleurs conseils pour minimiser les effets nuisibles d'un débit turbulent.

écoulement laminaire dans un débitmètre avec un capteur
Elément d'écoulement laminaire - LFE (Laminar Flow Element))

Pourquoi un écoulement laminaire est-il important pour les débitmètres ?

La manière dont un écoulement turbulent peut affecter votre mesure dépend du type de débitmètre. Si vous possédez un débitmètre massique thermique qui fonctionne selon le principe de mesure "by-pass", une partie du débit principal passe par une restriction et une petite partie du débit passe par le capteur.
 
Le ratio entre ces deux débits est déterminé par la perte de charge dans le capteur et la restriction de l’écoulement laminaire. L’effet de turbulence perturbera ce ratio. Comme les instruments avec capteur by-pass sont souvent utilisés pour des mesures très précises, l’effet de turbulence peut être considérable sur les résultats de mesure.

En définitive, les débitmètres massiques thermiques – fonctionnant selon le principe de mesure « by-pass » - fonctionnent mieux avec un écoulement laminaire.

Qu’est-ce que l’effet de turbulence ?

" La turbulence est un sujet dangereux, qui est souvent à l’origine de débats houleux lors de réunions scientifiques en la matière, car elle représente des points de vue très différents, tous ayant en commun la complexité et l’incapacité à résoudre le problème ". Marcel Lesieur, 1987.

Dans la pratique, vous rencontrerez un écoulement turbulent assez souvent. Un débit turbulent peut être causé par des restrictions (nombreuses) dans une installation, comme des vannes ou des adaptateurs, en combinaison avec une haute vélocité du fluide utilisé. Cet effet est connu sous le nom de "l'effet de turbulence"

A chaque restriction, le débit va être interrompu et la vitesse du gaz changera. En plus de l’usage de restrictions, la longueur de la conduite doit être prise en compte. Comme il faut un certain temps pour qu’un écoulement turbulent redevienne laminaire, il est important d'utiliser la bonne longueur de conduite.


Débit turbulent

Vous préférerez éviter un écoulement turbulent à l’entrée de votre instrument de mesure du débit, car cela peut affecter la précision de votre mesure. Il est préférable d’avoir un écoulement laminaire juste avant l’appareil de mesure du débit. Toutefois, l’appareil utilisé comme régulateur de débit, avec une vanne derrière le débitmètre, peut causer à nouveau un flux turbulent.

Cela n'est pas un désavantage pour tous les types de débitmètres. Ce sont principalement les débitmètres massiques thermiques reposant sur le principe du by-pass qui sont sensibles à cet effet. Les débitmètres basés sur le principe de Coriolis, de CTA (Constant Temperature Anemometry ou anémométrie à température constante) ou celui des Ultrasons sont insensibles à la turbulence. 
 

Profil d'écoulement laminaire vs profil d'écoulement turbulent
Profil d'écoulement laminaire vs profil d'écoulement turbulent

Ecoulement turbulent versus écoulement laminaire

Comment savoir s'il s'agit d'un écoulement laminaire ou turbulent ?

D’une manière générale, on peut dire qu'il existe deux types de débit : l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent. La photo permet de visualiser un écoulement laminaire dans le cadre d’une expérience avec de l’encre dans un tube cylindrique. L’encre a été injectée dans le centre d’un tube en verre dans lequel s’écoule de l’eau. Lorsque la vitesse de l’eau est faible, l’encre ne se mélange pas avec l’eau, les lignes d’écoulement sont parallèles; c’est ce que l’on appelle un écoulement laminaire.

Si la vitesse de l’eau augmente, un changement soudain surviendra à une certaine vitesse. Le débit se perturbe complètement, et l’eau se mélange de manière homogène avec l’encre. Les lignes d’écoulement sont chaotiques au lieu de linéaires, c’est ce que l’on appelle un écoulement turbulent.

L'importance du nombre Reynolds (Re)

En théorie, le type de débit dépend de quatre variables :

  • Le diamètre du tube
  • La vitesse du fluide
  • La densité du fluide
  • La viscosité dynamique du fluide

Les variables combinées fournissent ce que l’on appelle le nombre Reynolds (Re), un paramètre important décrivant si les conditions de débit résultent en un écoulement laminaire ou un écoulement turbulent. En général, un écoulement laminaire survient avec un nombre Reynolds faible (≤ env. 2300), et un écoulement turbulent survient avec un nombre Reynolds élevé (≥ env. 3000). Entre ces deux nombres (Re 2300-3000), vous obtenez un 'débit de transition', ce qui signifie que le débit peut être laminaire ou turbulent (les nombres mentionnés concernent un tube cylindrique). 

3 conseils pour réduire les effets nuisibles d'un écoulement turbulents

Si vous utilisez des débitmètres massiques thermiques fonctionnant selon le principe de "by-pass", nous recommandons de procéder comme suit :

1) Essayez d’éviter les restrictions dans le procédé, telles que vannes, adaptateurs et coudes.

  • Ne montez pas directement le débitmètre juste après une restriction, comme une vanne. S'il n’est pas possible de faire autrement, utilisez dans ce cas un filtre de turbulence entre la vanne et le débitmètre, ou utiliser un débitmètre avec filtre de turbulence intégré.
  • Limitez autant que possible le nombre de coudes près d'un débitmètre.

2) Limitez la vitesse de votre débit en utilisant la bonne longueur de conduite. En général, je recommande d’utiliser une longueur minimale de :

  • 10X le diamètre de la conduite à l’entrée de l'instrument
  • 4X le diamètre de la conduite à la sortie de l'instrument (débitmètre uniquement)
  • Pour les taux de débit de gaz > 100 l/min, on utilise habituellement une conduite de 12 mm (1/2’’).

3) Utilisez un tranquilisateur de flux dans votre procédé :

Le tranquilisateur de flux filtrera le débit avant qu'il n’arrive au capteur et le rendra à nouveau laminaire. A l’heure actuelle, les débitmètres sont souvent équipés d'un tel filtre intégré (comme la série EL-FLOW de Bronkhorst) ou disposent d'un circuit d’écoulement étendu (comme les débitmètres Low delta P de Bronkhorst).

Tout dépend du procédé et de l'application.

Les conséquences d'un écoulement turbulent dépendent grandement de l’application. Par exemple, dans les procédés pour semi-conducteurs, et en particulier dans les procédés de revêtement tels que la pose de couche, le débit turbulent est à proscrire ! Un procédé stable est essentiel ici. Toutefois, dans d’autres procédés de revêtement, comme les techniques de projection à la flamme, l’impact des turbulences sera moindre, en raison de la haute pression du débit. Tout dépend du procédé et de l’application.

Ecoulement étendu du débit dans le débitmètre
Ecoulement étendu du débit dans le débitmètre

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