La caractéristique de débit d'une vanne de régulation définit la relation entre ouverture et débit : linéaire, égal pourcentage ou à ouverture rapide.
Ces courbes sont mesurées à différence de pression constante. Dans une installation réelle, la différence de pression n'est pas constante : à mesure que la vanne s'ouvre, le débit augmente, la perte de l'installation augmente, et la chute aux bornes de la vanne diminue.
L'autorité de la vanne
Il en résulte que la caractéristique installée diffère de l'intrinsèque. Le paramètre dominant est le rapport entre la perte de charge dans la vanne grande ouverte et la perte totale de l'installation — l'autorité de la vanne.
Si l'autorité est faible, le débit atteint presque sa valeur pleine dès les vingt premiers pour cent de l'ouverture et les quatre-vingts degrés restants ne font rien. La résolution de réglage est perdue et l'installation pompe. La caractéristique égal pourcentage existe précisément pour compenser cet effet.
Cavitation et vaporisation
Lors du laminage, l'écoulement accélère au col de la vanne et la pression chute. Si la pression au col descend sous la pression de vapeur saturante, des bulles se forment.
Cavitation. Si la pression se rétablit en aval, les bulles implosent. Cela produit du bruit, des vibrations et de l'érosion ; le dommage ne se trouve généralement pas dans la vanne mais dans la paroi de la conduite quelques diamètres en aval.
Vaporisation (flashing). Si la pression aval reste sous la pression de vapeur saturante, les bulles n'implosent pas et l'écoulement diphasique se poursuit. L'érosion a un autre caractère et l'écoulement se bloque.
La distinction est pratiquement importante : le remède contre la cavitation est un laminage multiétagé (faire chuter la pression par paliers), tandis que contre la vaporisation c'est le choix du matériau et de la géométrie.
Modélisation
La pression minimale locale au col est nettement inférieure à la moyenne stationnaire ; la question de l'apparition de la cavitation appelle une solution instationnaire. Voir la note sur la cavitation.
En service gaz, un blocage sonique peut apparaître au col et le débit devient indépendant de la pression aval. Voir la note sur l'écoulement compressible.
Références
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223
- Hydraulic Institute. ANSI/HI 9.6.1 — Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin. Hydraulic Institute, Parsippany, NJ.