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Niveau école ingénieur
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Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds bombés

Posté par
djoleto
22-05-13 à 17:31

Bonjour,

Je souhaiterais trouver une formule de calcul pour déterminer le volume contenu dans une cuve cylindrique à fonds bombés, posée horizontalement - mais inclinée d'un angle par rapport au plan horizontal - en fonction de l'angle d'inclinaison et de la hauteur de fluide lue sur une jauge perpendiculaire à l'axe de la cuve, installée à une distance d de l'extrémité.

Ci-dessous l'image de la cuve :

Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds bombés

Avec diamètre de la cuve D = 3.02 m
longueur de la partie cylindrique l = 13.67 m
largeur unitaire des fonds bombés f = 0.55 m

La jauge peut être implantée sur 1 des 2 trous d'hommes, situés à chaque extrémité de la cuve, à une distance d = 1 m à partir de la base des fonds bombés (extrémité de la partie cylindrique).

Pour la position horizontale pure, pas de problème car la hauteur de fluide est constante sur la longueur de la cuve. L'intégration n'est pas difficile (encore que je ne sois pas très sûr pour le volume partiel des fonds bombés):

Vcuve = L*R^2*(Arcos(1-h/R) - (1-h/R)sin[Arcos(1-h/R)]) + π *f * h^2 * ( 1- (h /1.5 * D ))
Avec h la hauteur de fluide lue sur la jauge.

Par contre, j'ai vraiment du mal pour une position inclinée d'un angle ;

Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds bombés

J'ai retrouvé une discussion traitant en partie du sujet dans ce forum, mais le topic datant un peu et ne répondant pas totalement à ma question, je fais un nouveau topic.

Ci-dessous le topic parlant du sujet (uniquement sur cuve cylindrique à fonds plats mais je peux m'en contenter) ;

https://www.ilemaths.net/sujet-volume-dans-un-cylindre-couche-et-incline-26408.html

Je pense comprendre en partie le calcul intégral fourni dans ce topic mais pas entièrement ; en particulier j'ai du mal sur les bornes d'intégration retenues.
Et dans mon cas, je n'arrive pas à faire le lien et exprimer le volume de fluide en fonction de la hauteur h lue sur la jauge et l'angle d'inclinaison de la cuve.

En fait j'ai l'impression que la formule du précédent topic donne le volume pour une hauteur h constante h = D - l.tan(.
ça fait 2 heures que je bug mais je n'arrive pas à trouver une expression du type Vfluide = f(;h) couvrant tous les cas de figure.
Et je ne parle même plus du volume contenu dans les fonds bombés... J'ai déjà pris une migraine sur le cas de la cuve à fonds plats...

Y aurait il quelqu'un pour m'aider svp ?
Je vous en serez très reconnaissant car je ne trouve pas vraiment d'aide pour le moment et ce problème me prend vraiment la tête (je n'arrive pas à me le sortir de l'esprit).

Cordialement,

PS : étant nouveau sur ce forum, je ne savais pas trop où classer ce topic... Je l'ai mis dans Ecole d'ingé car je suis ingé en BE depuis 6 ans et je n'y arrive pas.
Mais bon, je suis peut-être simplement rouillé et je l'ai surclassé en niveau de difficulté, la honte...
Dans ce cas merci de ne pas m'en tenir rigueur.    

Posté par
djoleto
Un motivé ? 24-05-13 à 11:51


Bonjour,

Un petit up,
Je n'ai pas résolu le pb que j'ai laissé de côté pour le moment.

Cordialement,

Posté par
djoleto
Personne ? 04-06-13 à 14:25


Bonjour,

Je reviens vers vous concernant ce problème.
Il m'était un peu sorti de l'esprit mais j'aimerais bien avoir le fin mot de l'histoire...

Merci pour votre aide.

Cdt,

Posté par
GaBuZoMeu
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 15:56

On calcule le volume en coupant en tranches perpendiculaires à l'axe de la cuve. La hauteur de la tranche d'eau dans la partie cylindrique à une distance d du joint entre partie cylindrique et partie sphérique est h+(1-d)\tan\alpha. Dans la partie sphérique, c'est plus compliqué mais ça se calcule sans trop de peine.

Posté par
djoleto
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 16:24


Bonjour,

Merci de votre réponse,
Ok pour la relation de la hauteur d'eau, mais c'est plus sur le calcul intégral du volume en fonction de h que je cale
J'obtiendrais ça :

V(h) = Pi.R².L - V1(h) = Pi.R².L - [sub]0[sup]l((R²/2).(4.arcsin(V((h+(l-x)tan)/2R)) - sin(4.arcsin(V((h+(l-x)tan)/2R)))).dx

Non ?

Après resterait à calculer l'intégrale et là ce n'est pas gagné non plus car je ne me souviens plus trop des formules d'intégration. Mais bon je devrais pouvoir m'en sortir, c'est juste sur la méthode, voir si je ne me trompe pas dans le raisonnement.

Concernant les fonds bombés, j'ai définitivement arrêté d'y penser...

Cdt,

Posté par
djoleto
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 16:29

Mince je n'arrive pas à écrire l'intégrale correctement avec les outils de texte du forum ;

0l (((R²/2).(4.arcsin(((h+(l-x)tan)/2R)) - sin(4.arcsin(((h+(l-x)tan)/2R)))).dx

Avec l'axe x l'axe de la cuve ?

Posté par
GaBuZoMeu
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 17:22

Il faut considérer les différentes possibilités. On n'aura pas la même formule suivant la hauteur du liquide. Et il y a même des cas où la jauge sera au maximum mais la cuve ne sera pas pleine (et on aura donc seulement une minoration du volume de liquide) et à l'inverse des cas où la jauge sera à 0 mais la cuve ne sera pas entièrement vide.

Posté par
djoleto
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 19:23


Ok merci,

Effectivement il y a des cas ou ça ne marche pas, surtout aux extrémités. En fait ce n'est pas continu et on n'intègre pas forcément sur l mais sur la longueur "occupée" par le fluide, en quelque sorte.

Pourriez-vous m'en dire plus svp niveau méthode ? Je galère un peu là.

Cdt,

Posté par
GaBuZoMeu
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 19:38

Pas tout de suite. Rapidement, il convient de déterminer le point O' qui figure sur ton dessin. C'est juste quand  h+(1-d)\tan\alpha devient 0, ce qui donne la valeur du d.

Posté par
delta-B
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 21:58

Bonjour.

@djoleto.

Je vais vous paraitre bête mais si la cuve est déjà construite, on peut faire un abaque de graduation pour les jauges en remplissant graduellement la cuve et noter le volume et les hauteurs de liquide suivant différentes inclinaisons. Même si on arrive à trouver la formule, rient ne dit qu'elle sera pratiquent utilisable (sans outil informatique) (cf périmètre d'une ellipse) et on sera peut-être amené a faire du calcul numérique. Si le marché est rentable, on peut en construire une pour l'établissement des abaques. Il est évident que les graduations sur la jauges ne seront pas linéaires même dans le où la cuve est à plat.

Posté par
star-math
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 04-06-13 à 23:49

Bonjour

@delta-B

j'ai  plus de 3 jours d'attente

S'il vous plaît venez pour discuter

j'ai quelques remarques (votre sujet d'examen)

Merci

Posté par
delta-B
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 05-06-13 à 03:21

Bonjour

@Star-math
1- Je n'ai posté de sujet d'examen mais j'ai participé à des topics faisant référence à des sujets d'examen.
2- Si vous avez des remarques à faire, fais les au niveau du topic en question.

Posté par
djoleto
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 05-06-13 à 10:04


Bonjour,

@Delta B : Non vous ne me paraissez pas bête du tout, en pratique je pense effectivement que c'est le moyen le plus facile à mettre en œuvre.
Mais généralement, les abaques constructeurs pour ces cuves n'intègrent pas les inclinaisons éventuelles, elles sont données à plat.

Mon idée était de faire un petit fichier Excel, éventuellement en programmant une macro pour sortir le volume.
Avec cet outil, je pourrais adapter les formules en fonction des différents cas rencontrés et des différentes configurations de remplissage.
Par contre, il faut que je les identifient et associe une formule adaptée pour chacune d'elle.

@Gabuzomeu : je m'emmêle les pinceaux là, la formule h + (l-d)tan n'est-elle pas justement valable si le point O'correspond à l ?
Dans la formule, c'est bien l comme Léo et non 1 comme 1,2,3 ?
La honte sérieux, je n'arrive même plus à retrouver la formule h fonction de d et .
Bon je vais faire un petit break, je ne dois pas être réveillé ce matin...

Cdt,

Posté par
GaBuZoMeu
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 05-06-13 à 10:47

C'est bien 1 et pas \ell. Ce 1 vient de "La jauge peut être implantée sur 1 des 2 trous d'hommes, situés à chaque extrémité de la cuve, à une distance d = 1 m à partir de la base des fonds bombés".

Posté par
star-math
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 05-06-13 à 19:19

salut delta-B

oui j'ai 3 ou 4 remarques

on commence par la première remarque domaine définition d'une fonction

Posté par
delta-B
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 06-06-13 à 00:01

Bonjour.

On peut remarquer que le volume de la partie cylindrique revient aussi à calculer le volume d'une partie de cylindre posé horizontalement ou verticalement délimité par 2 plans vérifiant certaines propriétés entre autres orthogonaux, (meilleure position=verticale? Pour le voir redresse la cuve et le plan du liquide avec). Le calcul du volume sera plus facile à faire (en coordonnées cartésiennes) et plus compréhensible. Il en sera de même pour la partie sphérique (calotte sphérique coupé par un plan) ou du moins il me semble. On peut même considérer d'emblée la cuve complète avec ajout des positions des centres des 2 sphères support des deux calottes sphériques (On peur retrouver les positions des 2 centres puisque les hauteurs et les diamètres des calottes sont connus). La "hauteur" du liquide pourra être ensuite calculée (distance entre 2 points à définir)
Remarque:
1)On suppose bien sur initialement que l'axe de la jauge  et l'axe de la partie cylindrique sont sur un même plan vertical.
2) Un problème d'étancheité risque de se poser (trou d'entrée de la jauge). mais ici, j'espère que je ne vous apprend rien.  

Posté par
djoleto
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 06-06-13 à 09:08


Bonjour,

Merci pour vous réponses,

@Gabuzomeu : Merci. Autant pour moi, ben oui bien sûr j'étais à l'ouest hier ! C'est le d utilisé dans la formule qui m'a induit en erreur.
En fait il faudrait écrire la relation comme h(x) = hjauge + (1-x)tan
Et donc on détermine x pour h=0 et on obtient la position du point O'. Ensuite on intègre entre 0 et la distance du point O', c'est bien ça ?
Pourrais-tu stp me guider encore un peu sur la modélisation et la méthode ?

@delta-B : je suis d'accord sur le principe mais en pratique ces cuves sont des doubles-enveloppes destinées au stockage de fioul en enterré. On ne peut pas les poser en vertical.
Après, il est aussi vrai qu'en pratique, on les pose sur lit de sable et châssis speed le plus horizontalement possible. Dans ce cas, l'inclinaison résulte seulement des tolérances de fabrication et de pose, et se limite à quelques dixièmes de degrés seulement.
Je pense qu'on peut donc la considérer comme négligeable et se limiter au calcul horizontal (beaucoup plus facile), tout en conservant une bonne précision dans la mesure.
Dans mon cas, intégrer l'inclinaison, c'était plus pour le challenge et quand je me suis aperçu que c'était plus compliqué que je ne m'y attendais et que je n'y arrivais pas du tout, et bien j'ai posté sur ce forum.
Seulement parce qu'il me tient à cœur de comprendre et d'arriver un résoudre un pb de math ou de physique (orgueil personnel sans doute).

Il faut que je continue à travailler sur cette modélisation.

Cdt,

Posté par
delta-B
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 06-06-13 à 19:57

Bonjour.

@djoleto

Quand j'ai parlé de redresser la cuve, c'était pour le calcul du volume du liquide. Le volume à calculer  est délimité par une partie plane, un partie cylindrique et une partie sphérique (la partie bombée que j'ai supposée sphérique). Le redressement  est en fait un changement  de repère , l'axe des z étant l'axe de la partie cylindrique et le plan Oxy le le plan de la base inférieure de la partie cylindrique. Il me semble que sous cet angle, le calcul du volume est plus simple à mettre en forme (3 intégrales simples successives). le plan du liquide coupe la base inférieure suivant une corde on peut alors choisir par exemple l'axe des x parallèle à cette corde, l'axe des y sera lui automatiquement orthogonal à cette corde en son milieu.
Il n'est nulle question de poser effectivement la cuve en position verticale.

Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b

Posté par
GaBuZoMeu
re : Volume contenu dans une cuve cylindrique inclinée à fonds b 06-06-13 à 21:04

@delta-B : c'est déjà ce qui a été fait :
"On calcule le volume en coupant en tranches perpendiculaires à l'axe de la cuve." (le 04-06-13 à 15:56)



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