Hydraulique

L'hydraulique (du Grec: ὑδραυλικός (hydraulikos) de la racine ὕδωρ (hydor, grec pour l'eau) et αὐλός (aulos, c'est-à-dire tuyau)[1] est une technologie et une science appliquée ayant pour objet d'étude les propriétés mécaniques des liquides et des fluides. La mécanique des fluides est une science fondamentale qui constitue la base théorique de l'hydraulique. L'ingénierie a 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 de débit dans des tuyaux, à la conception de barrages, à la microfluidique et aux pompes. Les principes de l'hydraulique sont utilisés également en biologie dans le corps humain par exemple le système cardiovasculaire[2]. L'hydraulique à surface libre est la branche de l'hydraulique étudiant les débits des écoulement à surface libres, comme les rivières, les canaux, les lacs, les estuaires et les mers.

Définitions

Anciennement, l'hydraulique désignait la science qui enseigne à mesurer, à diriger et à élever les eaux. Les machines hydrauliques désignaient principalement les pompes employées à cet effet. L'hydraulique était alors du ressort du fontainier et de ses ouvriers spécialisés : les pompiers, spécialisés dans la fabrication et l'entretien des pompes, et les plombiers, spécialisés dans le façonnage du plomb[3].

Louis Vicat lui donnera une signification supplémentaire, l'hydraulicité désignant la qualité des mortiers, plâtres, chaux et ciments pouvant faire prise sous eau.

Le mot hydraulique désigne de nos jours deux domaines différents :

Champs d'études de l'hydraulique

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

Historique

Le mot hydraulique vient du mot grec ὑδϱαυλικός (hydraulikos) qui vient de ὕδϱαυλος qui signifie orgue à eau qui dérive à son tour de ὕδωϱ (eau) et de αὐλός (tuyaux).

Dans le monde méditerranéen, les premiers grands maîtres de cette science furent Héron d'Alexandrie et Ctésibios. Ainsi ce dernier perfectionna la clepsydre, inventa un monte-charge et un orgue hydraulique, l'hydraule.

De manière générale, le fluide utilisé dans les systèmes hydrauliques (eau ou huile) est incompressible. Une pression est appliquée au fluide par l'intermédiaire d'un piston dans un cylindre, provoquant une pression équivalente sur un autre piston qui délivre l'énergie. Si la surface du second piston est supérieure à celle du premier, alors la force exercée par le second piston est supérieure à celle appliquée au premier piston. C'est le principe de la presse hydraulique, qui a été découvert en 1650 par Blaise Pascal et mis en application en 1785 par Joseph Bramah.

Un des fondateurs de l'hydraulique moderne a été Benedetto Castelli, élève de Galileo Galilei.

Système à air comprimé versus hydraulique

La compression d'un gaz dégage de la chaleur, qui est une énergie perdue. Plus la pression est 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'aux frottements (déplacement du liquide) et augmente peu avec la pression. On obtient donc des rendements largement supérieurs à ceux obtenus avec des systèmes à air 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 : 1,3 g/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.).

Les études hydrauliques

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 ou Barré 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 comme HEC-RAS ou 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 hydraulique permettant 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.

Le réseau hydraulique

Un réseau hydraulique est typiquement composé de :

Notes et références

  1. Hydraulique, sur le site cnrtl.fr
  2. (en-US) « The Circulatory System: The Hydraulics of the Human Heart », Industrial Outpost - The Official News Source of PSC,‎ (lire en ligne, consulté le )
  3. J.M. Morisot, Tableaux détaillés des prix de tous les ouvrages du bâtiment. Vocabulaire des arts et métiers en ce qui concerne les constructions (fontainerie), Carilian, 1814

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 xviiie siècle : un paradigme vitruvien (Contribution à une sociologie historique de la technologie). Itinéraires, notes et travaux, no  2, Genève, I.U.E.D., , 29,7 cm, 70 p., ill. (Polycopié.)
  • Jacques Grinevald, « Le Monde comme architecture hydraulique », CoEvolution, Paris, no  10, Automne 1982, p. 30-33, ill.
  • Jean-Pierre Viollet, L’Hydraulique dans les civilisations anciennes : 5000 d’histoire. 2e éd. Revue et corrigée. Paris, Presses de l’Écoles 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 xxe siècle. Paris, Presses de l’Écoles des Ponts et Chaussées, 2005. 24 cm, 232 p., ill. Bibliogr. p. 221-227.

Voir aussi