Grille Coanda optimisée

Installation expérimentale
Dans le cadre de ce projet de recherche, un dispositif d'essai à l'échelle 1:1 a été mis en place dans la halle d'essai du VAW afin de tester la capacité spécifique en débit, le comportement hydraulique ainsi que le rejet des sédiments des grilles Coanda. Des essais étho-hydrauliques ont ensuite été réalisés sur des truites de rivière (Salmo trutta) capturées à l'état sauvage, afin d'étudier l'aptitude de la grille Coanda comme dispositif de dévalaison.

Sur le stand d'essais du VAW (voir figures 1 et 2), l'eau est pompée dans un bassin puis s'écoule par un tropplein dans la section d'alimentation (5 m de long, 0,85 m de haut pour 1,15 m de large) jusqu'au cadre de test (1.68 m de long) dans lequel la grille Coanda (1.115 m de large) à analyser est fixée. L'eau avalée par la grille traverse d'abord un sac à sédiments, qui permet de prélever et d'analyser les sédiments, avant de retourner dans le circuit d'eau. L'eau qui passe par-dessus la grille et qui constitue ainsi une eau de débordement, arrive dans un évidement dans le sol de la halle (analogue à un affouillement dans un ruisseau) équipé d'un panier à sédiments pour être ensuite réintroduite dans le circuit.

Sur la base des données du fabricant, la capacité spécifique maximale des grilles Coanda (ou capacité d'absorption) a été estimée à moins de 300 l/s par mètre sur la largeur de la grille (300 l/(s∙m)). Or, les essais menés avec un débit de 300 l/s ont montré que la capacité spécifique de la grille de 1,115 m était de 269 l/(s∙m). Pour certains essais en eau claire et pour toutes les analyses étho-hydrauliques, la largeur de la grille a été réduite à 0,5 m au moyen de parois en plexiglas (figure 2). Cela a permis d'atteindre un débit spécifique maximal de 600 l/(s∙m). Le tableau 1 dresse la liste des 10 grilles utilisées dans le projet de recherche, une fournie par l'entreprise Quellfrosch (anciennement Höhenergie) de Saint-Gall (CH), et toutes les autres par Wild Metal GmbH de Ratschings (I).

Essais en eau claire
Des modifications dans la zone d'arrivée peuvent conduire à des répartitions de vitesse hétérogènes de l'écoulement et influencer la capacité d'absorption de la grille Coanda. Cette question a été examinée dans le cadre d'essais sans charriage, sur les 10 grilles Coanda (cf. tableau 1) en testant différents tronçons d'amenée. De même, des essais en eau claire ont été réalisés en appliquant des colles sur les grilles de manière à simuler une obstruction (voir figure 4). Tous les essais ont été réalisés avec un écoulement idéal, rectiligne et frontal à la grille Coanda. Essais de charriage Au total, trois mélanges de charriage ont été utilisés, conformément à ce qui avait été appliqué avec succès dans l'avant-projet (Lifa et al., 2016), dont les courbes granulométriques moyennes sont présentées à la figure 3. Leur répartition granulométrique est typique des torrents suisses. Les deux grilles les plus utilisées de Wild Metal GmbH (grilles n° 2 et 3 du tableau 1) ont été testées à 6 débits différents (50 l/s, 100 l/s, 150 l/s, 200 l/s, 250 l/s, 300 l/s) avec ces trois mélanges de charriage. Les autres grilles ont été soumises à un programme d'analyse plus réduit. Le charriage s'effectuait directement dans la section d'arrivée. Les sédiments qui passaient par la grille ont été collectés dans le sac de collecte des sédiments. Le matériau récupéré a ensuite été séché dans un four avant d'être soumis à une analyse granulométrique.

Essais étho-hydrauliques
Comme les grilles Coanda sont principalement utilisées dans les cours d'eau alpins avec la truite de rivière comme espèce principale, les essais de dévalaison ont été réalisés avec des truites de rivière sauvages du Schanielabach (Grisons). Tous les poissons ont été mesurés biométriquement et rendus individuellement identifiables par un marquage PIT-Tag. Ils ont été divisés en petites truites (< 16 cm de longueur) et en grandes truites (> 16 cm) en fonction de leur longueur. Par ailleurs, deux capacités d'absorption (100 l/(s∙m) et 300 l/(s∙m)), ainsi que les deux grilles de Wild Metal GmbH avec des espaces libres entre les barres de 0,6 mm et 1,0 mm (tableau 1, n° 2 et 3) ont été utilisées.

Douze réplications ont été réalisés, avec trois truites par configuration, chaque poisson étant utilisé deux fois. Lors de la réalisation des tests, les poissons étaient placés dans le compartiment de départ du canal d'amenée. Ceux-ci nageaient généralement avec une rhéotaxie positive, c'est-à-dire avec la nageoire caudale en avant, au-dessus de la grille dans la zone d'affouillement simulée. A cela s'ajoutaient des poissons dits témoins, ayant subi la même procédure, mais sans passer la grille, et placés directement dans l'affouillement. Avant et après les essais, tous les poissons ont été photographiés des deux côtés, de manière à enregistrer les éventuelles blessures des poissons causées par la grille. Puis, le pourcentage de surface présentant des pertes d'écailles par rapport à la surface totale du poisson a pu être déterminé, à l'aide du logiciel ImageJ.

Capacité spécifique en débit, en eau claire
Selon des données peu fiables de la littérature, la capacité spécifique de débit de la grille Coanda serait de 140 l/(s∙m), ce qui expliquerait pourquoi la prise d'eau tyrolienne est souvent préférée à la grille Coanda. Or, les essais en eau claire réalisés dans le cadre de ce projet n'ont pas permis de confirmer cette donnée. Selon les tests menés, les grilles standard de Wild Metal GmbH, avec des espaces libres entre les barres de 0,6 mm et 1,0 mm présentent une capacité de plus de 500 l/(s∙m). La grille de la société suisse Quellfrosch, avec un espace de 1,05 mm, présente également une capacité de plus de 300 l/(s∙m), même si l'angle de montage n'est pas optimal.

Sur la base des résultats de la recherche, l'accélération est souvent de 3 à 4 fois la valeur indiquée dans la littérature, si l'on accepte un débordement d'une certaine partie de l'affluent qui n'est pas captée. Ce débordement peut éventuellement être intégré dans le débit de dotation écologique prévu, ce qui permet de réduire la largeur de la grille.

L'obturation partielle de la grille Sb18 1,0 mm (tableau 1, n° 3) a permis de simuler le colmatage par des sédiments, des feuilles, de la glace ou de la mousse. Cette obturation de la surface de la grille a été effectué par étapes de 12,5 %, en partant de la couronne du déversoir (figure 4). Aucun débordement n'a été constaté pour des obturations de 0 à 25 %, pour un débit spécifique de l'installation de 269 l/(s∙m). Avec une obturation de 37,5 % de la surface supérieure de la grille, la grille perd environ 3 % de sa capacité d'absorption. Avec 50 % d'obturation, on obtient une réduction de la capacité de 10 %. Manifestement, l'accélération entraîne une augmentation de la capacité spécifique de la grille par rapport à sa surface.

Les résultats concernant le colmatage simulé de la grille doivent toutefois être considérés avec prudence. Dans la réalité, la forme des particules qui conduisent à la pose de la grille influence également le comportement de l'écoulement. Une installation dimensionnée au plus juste permet certes de réduire les coûts de mise en place, mais dans les cas de charge où le débit est plus élevé (par ex. fonte des neiges ou fortes pluies), il y a aussi beaucoup plus de débordement, soit une perte énergétique. Il est donc indispensable de considérer les facteurs techniques, économiques et environnementaux de manière globale et individuelle.

Effet de cisaillement au lieu de l'effet Coanda
Au total, onze grilles ont été étudiées avec différents espacements, géométries de barres, débits et états. Toutes ces grilles ont une surface concave ou droite et commencent immédiatement à l'aval de la crête du déversoir. En raison de cette disposition et de la forme de la surface de la grille, aucun effet Coanda ne peut se produire. En effet, pour exploiter l'effet Coanda, il faudrait que la grille commence déjà dans la couronne arrondie du déversoir et qu'elle ait une surface légèrement convexe ou droite, ce qui n'est pas le cas des grilles étudiées et disponibles sur le marché. En ce sens, les grilles Coanda ne présentent pas d'effet Coanda à proprement parler, mais uniquement un effet de cisaillement de l'eau, car les barres de la grille sont disposées en biais par rapport au courant. La couche limite turbulente à la surface de la grille est quasiment cisaillée et déviée comme un jet d'eau plat. La disposition des barres et leur géométrie influencent donc la capacité de la grille.

Avec ou sans dessableur ?
Les matières solides qui arrivent avec l'eau motrice peuvent provoquer des dommages par abrasion sur les pièces hydrauliques de l'installation. Si l'on souhaite renoncer à la disposition d'un dessableur dans les centrales à moyenne et haute pression, il est recommandé, sur la base de cette étude, de choisir un espace libre entre les barres maximal de 0,4 mm. Ces grilles ont toutefois une plus forte tendance à se colmater que celles avec un espace de 0,6 mm et ne se sont donc pas révélées idéales lors des essais.

Comme la granulométrie limite pour les dessableurs en Suisse dans les centrales à moyenne et haute chute (hauteur de chute > 50 m) est généralement de 0,2 à 0,3 mm selon la hauteur de chute, il est recommandé, en cas de sédiments abrasifs et de hauteur de chute importante, de prévoir un dessableur ou un bassin de décantation rinçable après la grille Coanda, même pour un espace libre entre les barres de 0,4 mm. La nécessité d'un dessableur doit être déterminée par la détermination de la granulométrie critique. L'expérience montre que les grilles Coanda avec des espaces de 0,2 mm se colmatent très rapidement avec du sable fin et ne sont donc pas recommandées pour les eaux charriant des sédiments.

Les feuilles d'arbres peuvent également colmater les grilles et, selon les indications des fabricants, spécifiquement les tiges des feuilles de hêtre (des grilles d'un espace de 0,6 mm sont alors recommandées).

Finalement, pour des conditions critiques en termes d'abrasion (p. ex. très grande hauteur de chute et/ou roches dures), on ne peut pas renoncer à un dessableur, même en utilisant une grille Coanda. L'avantage d'une grille Coanda est alors essentiellement la réduction de l'apport de sédiments (et donc du nombre de rinçages ou des pertes d'eau de rinçage) par rapport à une grille classique ou à un prélèvement latéral usuel. Pour les centrales avec une hauteur de chute plus faible et des roches tendres, une grille avec un espace de 0,4 mm pourrait toutefois permettre de se passer du dessableur.

Degré de rejet des sédiments
En cas de faibles affluents (jusqu'à 260 l/(s∙m)), le degré de rejet est légèrement influencé par la concentration des sédiments. L'affirmation généralement répandue des fabricants selon laquelle 90 % des particules de diamètres équivalents à la moitié de l'espace libre entre les barres n'a pas pu être confirmée par notre projet de recherche. Pour les grilles les plus utilisées de Wild Metal GmbH, le degré de rejet des particules d'un diamètre correspondant à la moitié de l'espace libre et présentant des grains anguleux était de 37 à 39 %.

En cas de crue, il faut distinguer si l'on considère le degré de rejet pour des débits plus élevés ou le rejet de concentrations de sédiments plus élevées. Des débits plus élevés améliorent en principe le degré de rejet, alors que des concentrations de charriage plus élevées le détériorent. Cette situation ne se produit toutefois qu'à des débits plus élevés. En cas de faibles débits, le degré de rejet ne dépend guère de la concentration de sédiments. La figure 5 montre qu'à des débits spécifiques plus élevés de 400 l/(s∙m), le rejet des sédiments est plus efficace à faible concentration de sédiments qu'à forte concentration de sédiments. De plus, les particules dont le diamètre équivalent correspond à l'espace libre, sont rejetées à plus de 95 % uniquement pour de faibles concentrations de charriage. En revanche, pour des concentrations de charriage moyennes et élevées, les degrés de rejet ne sont que d'environ 90 et 80 %, respectivement.

La figure 6 présente les caractéristiques de rejet des grains anguleux ou ronds pour les différentes grilles Coanda standard fournies par Wild Metal GmbH à des débits spécifiques modérés de 89 l/(s∙m). Les différences entre les caractéristiques de rejet des différents granulats ne sont pas prononcées.

Les essais de la grille Coanda standard avec un espace libre de 0,6 mm ont été complétés par des analyses d'une grille usée de construction identique (tableau 1, n° 2 vs n° 7). Les caractéristiques de rejet des deux grilles ne montrent cependant pas de différences notables pour différents débits spécifiques, même si la grille usée a tendance à présenter des degrés de rejet plus élevés pour les petites particules (voir figure 7). Les caractéristiques de rejet ne semblent donc pas se dégrader en cours d'exploitation avec l'usure de la grille Coanda.

Dévalaison piscicole
Les essais étho-hydrauliques réalisés sur les grilles testées avec des espaces libres entre les barres de 0,6 mm et 1,0 mm permettent de conclure qu'il n'y a pas lieu de s'attendre à des blessures importantes lors de la dévalaison des poissons. Les truites fario ont subi des pertes d'écailles de l'ordre de 1 % au maximum de leur surface corporelle, mais dans la plupart des cas, elles sont même largement inférieures à cette valeur (cf. figure 8). Ces résultats s'appliquent aussi bien à un débit spécifique plus faible de 100 l/(s∙m) qu'à un débit spécifique élevé de 300 l/(s∙m). La majorité des poissons ne présentait pas de perte d'écailles. Il n'y a pas de différence significative entre les poissons descendus par la grille et les poissons du groupe témoin. Comme les blessures dépendent principalement de la forme des barres et de l'angle d'attaque, on peut supposer que les grilles Coanda de conception similaire par d'autres fabricants présentent une tolérance équivalente pour les poissons.

Il a été démontré que la capacité spécifique en débit des grilles Coanda est bien plus élevée que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Dans la suite de la recherche, des mesures de pression sur la grille Coanda permettraient de déterminer les mécanismes exacts de fonctionnement. La grille Coanda se base sur le cisaillement de l'eau et non sur l'effet Coanda. De plus, il a été constaté que le degré de rejet n'est pas aussi élevé que ce qui avait été suggéré jusqu'à présent. Cependant, avec le colmatage de la surface de la grille à partir du bord supérieur, on a pu observer que le degré de rejet augmente avec la vitesse d'écoulement. L'allongement du panneau d'accélération présente donc un potentiel d'optimisation du degré de rejet.

Le projet de recherche a mis en évidence le fait que tous les acteurs du marché s'appuyaient jusqu'à présent sur une même source scientifique qui remonte à la phase de développement de la grille Coanda (Nøvik et al., 2014). Pendant plus de trois décennies, des bases de dimensionnement ont été copiées sans que cette source ne soit remise en question. Désormais, grâce à ce projet de recherche, de nouvelles connaissances sont disponibles sur les grilles Coanda, que ce soit la capacité spécifique en débit, le degré de rejet des sédiments ainsi que la compatibilité avec les poissons.

Auteur :
Prof. Dr. Imad Lifa et al., Fachhochschule Graubünden, Pulvermühlestrasse 57, 7000 Chur, imad.lifa@fhgr.ch Les porteurs du projet de recherche remercient l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) pour son financement (numéro de projet SI/50128801).

Traduction en français :
par SSH

Illustrations :
Fachhochschule Graubünden

Sources :
1 Nøvik H., Lia L., Opaker, H. (2014). Performance of Coanda-Effect Screens in a Cold Climate. Artikel in Journal of Cold Regions Engineering.
2 Lifa I. et al. (2016). Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer (Phase 1). Bericht Nr. SI/501288-01, https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=36926 3 Lifa I. et al. (2021). Optimierung von Coanda-Rechen für Wasserfassung an alpinen Gewässern (Phase 2). Bericht Nr. SI/501288-01, https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=3692