Calcul des pertes de charge gaz : comment aller au-delà de la loi des gaz parfaits

Lorsque l’on cherche à calculer les pertes de charge dans des tuyauteries pour des écoulements de gaz, on a souvent recours à l’hypothèse simplificatrice de « gaz parfait ». L’écart entre les conditions réelles d’écoulement et le comportement idéal du gaz est ainsi négligé. Cet écart est généralement assez faible dans le cas d’écoulements à faible pression. Toutefois, avec des pressions plus élevées, des débits plus importants, de faibles températures ou bien au voisinage de points de changement d’état du fluide, des erreurs de calcul significatives peuvent apparaître, et l’hypothèse de gaz parfait n’est plus valable. Les écarts à l’idéalité du fluide doivent être pris en compte. Ainsi, lorsque l’on réalise des calculs sur des écoulements de gaz, il est crucial d’utiliser un logiciel adapté dont les calculs ne reposent pas sur le modèle de « gaz parfait ». C’est le cas du logiciel FLUIDFLOW, qui résout numériquement les équations de conservation à partir des conditions réelles du gaz modélisées par une équation d’état.

La loi des gaz parfaits

L’équation de gaz parfait (PV = nRT) repose sur les hypothèses simplificatrices suivantes :

– Les molécules de gaz sont soumises à un mouvement constant, aléatoire et linéaire.
– Le volume occupé par les molécules est négligeable par rapport au volume de l’enceinte.
– Les collisions entre les molécules sont élastiques et ne donnent lieu à aucune perte d’énergie cinétique.
– Les molécules ne sont soumises à aucune force intermoléculaire de répulsion ou d’attraction du fait des charges moléculaires.

La simulation des gaz parfaits néglige donc le fait que les molécules ont un volume fini et que le gaz n’est pas infiniment compressible.

Pertes de charge des gaz parfaits : une modélisation imparfaite

Bien que la loi des gaz parfaits soit fort utile pour une description simplifiée des gaz, elle n’est jamais complètement applicable aux gaz réels. On peut s’en rendre compte en exprimant l’équation des gaz parfaits ainsi : PV/RT = n. Sous cette forme, l’équation des gaz parfaits signifie que pour 1 mole de gaz parfait (n = 1), la quantité PV/RT est égale à 1 quelle que soit la pression P. Or, dans des conditions réelles d’écoulements de gaz telles que décrites précédemment, PV/RT n’est plus égal à 1.

La Figure 1 ci-dessous illustre l’écart à l’idéalité du comportement de l’azote gazeux. L’axe des Y représente le produit PV/RT. L’axe des X représente la pression. La courbe bleue représente le comportement d’un gaz parfait pour lequel PV/RT est égal à 1 quelles que soient les conditions. Les courbes orange, grise et jaune représentent la valeur de PV/RT en conditions réelles en fonction de la pression à des températures de 200 K, 500 K et 1000 K respectivement. L’écart à l’idéalité s’accroît considérablement lorsque la pression augmente et la température diminue.

Comment simuler des gaz réels

Lorsque la pression augmente, l’écart à l’idéalité d’un gaz devient très significatif, et dépendant du gaz considéré. Les gaz réels ne peuvent jamais être assimilés à des gaz parfaits lorsque les pressions sont élevées.

Dans la littérature, il est bien précisé que la loi des gaz parfaits peut être utilisée avec un certain degré de précision dans des conditions spécifiques, c’est-à-dire à faible pression. Toutefois, elle doit être utilisée avec vigilance, en s’assurant que les conditions du calcul entrent dans les critères de validité de la loi.

Le logiciel FLUIDFLOW s’affranchit de l’hypothèse simplificatrice de gaz parfait, source d’imprécisions et d’erreurs de calcul. FLUIDFLOW résout les calculs en s’appuyant sur une équation d’état qui tient compte des conditions réelles du gaz. Il prend en compte le facteur de compressibilité du gaz (Z) et résout numériquement les équations de conservation de la masse, de l’énergie et de la quantité de mouvement sur des incréments de longueur de tuyauterie. Les résultats de calcul sont ainsi beaucoup plus précis que ceux obtenus avec une approximation de gaz parfait.

De plus, dès lors que l’on travaille avec des mélanges de gaz, les calculs deviennent encore plus complexes. L’utilisation d’un outil de calcul spécialisé est incontournable pour éviter tous les risques d’erreurs résultant d’hypothèses simplificatrices telles que la loi des gaz parfaits.

Nous conclurons ainsi cette réflexion :

Article écrit en Mai 2018 par James McLoone, Flite Software (éditeur FLUIDFLOW) – Traduit en anglais par Marie-Amélie de Ville d’Avray, CASPEO