MÉCANIQUE DES FLUIDES MÉCANIQUE DES FLUIDES
MÉCANIQUE DES FLUIDES MÉCANIQUE DES FLUIDES
MÉCANIQUE DES FLUIDES MÉCANIQUE DES FLUIDES
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Licence de Physique et Applications Année 2008-2009<br />
<strong>MÉCANIQUE</strong> <strong>MÉCANIQUE</strong> <strong>DES</strong> <strong>DES</strong> FLUI<strong>DES</strong><br />
FLUI<strong>DES</strong><br />
TRAVAUX DIRIGÉS<br />
TD 1 : Statique des fluides<br />
TD 2 : Cinématique des fluides<br />
TD 3 : Dynamique des fluides<br />
parfaits<br />
TD 4 : Dynamique des fluides réels
TD 1 Hydrostatique<br />
Loi fondamentale de l’hydrostatique<br />
Dans tous les exercices suivants, hormis l’exercice 6, le fluide est incompressible et en équilibre.<br />
Exercice 1 - Mesure d’une pression par un tube piézométrique<br />
Soit un point M d’un liquide en équilibre. Faisons déboucher en M un tube transparent dans lequel la<br />
surface libre du liquide se fixe à la hauteur verticale z au-dessus de M. Le niveau A atteint par le liquide<br />
dans le tube s’appelle niveau piézométrique. La pression atmosphérique régnant à la surface libre du<br />
liquide dans le tube est pa.<br />
Montrer que la mesure de la pression pM en M peut se faire par la mesure de la hauteur z en donnant la<br />
relation qui relie les deux variables.<br />
A.N. Quelles sont les hauteurs de fluide correspondant à une différence de pression de 1 atm dans les<br />
deux cas suivants : le fluide est du mercure (ρ = 13 600 kg/m 3 ) ; le fluide est de l’eau (ρ = 1 000 kg/m 3 ).<br />
Exercice 2 - Manomètre simple dérivé du tube de Torricelli<br />
Exercice 3 – Siphon<br />
vide<br />
Un siphon est essentiellement constitué par un tube en J<br />
renversé, dont les deux extrémités ouvertes plongent dans<br />
deux récipients situés à des niveaux différents. Supposons<br />
qu’un robinet soit placé à l’extrémité inférieure et soit tout<br />
d’abord fermé. Les deux récipients contiennent un même<br />
liquide et le siphon est aussi rempli intégralement de ce<br />
liquide.<br />
Exprimer la pression au point B’ au-dessus du robinet en<br />
fonction de la pression B’’ dans le récipient inférieur. Que se<br />
passe-t-il lorsque l’on ouvre le robinet ?<br />
L’appareil représenté sur la figure ci-contre<br />
permet de mesurer la pression d’un fluide, un gaz<br />
par exemple, par la mesure de la longueur L. Le<br />
gaz est en contact avec un seul liquide. Exprimer<br />
p en fonction de L.<br />
Montrer que la sensibilité ∆L/∆p augmente si le<br />
liquide a une faible masse volumique (eau, alcool<br />
au lieu du mercure) et si l’angle α du tube avec<br />
l’horizontal diminue.<br />
1
Exercice 4 - Tube en U<br />
Un tube en U de section uniforme contient du mercure. Dans une des branches, on verse de l’eau ; dans<br />
l’autre, on verse de l’alcool. On constate que les surfaces libres de l’eau et de l’alcool (surfaces en contact<br />
avec l’atmosphère) sont dans un même plan horizontal et que le mercure présente une différence de<br />
niveau de 0,5 cm entre les deux branches du U.<br />
Faire un schéma représentatif du système.<br />
Calculer les hauteurs h et h’ d’eau et d’alcool.<br />
On donne : masse volumique du mercure : 13,6 g/cm 3<br />
masse volumique de l’alcool : 0,8 g/cm 3<br />
Exercice 5 - Manomètre à deux liquides<br />
La figure montre un manomètre différentiel à deux liquides non<br />
miscibles de masses volumiques ρ et ρ’ voisines. Pour que la surface<br />
de séparation des deux liquides puisse subsister, il faut que le liquide le<br />
plus dense soit au-dessous ; dans le cas de la figure, il faut donc que ρ<br />
< ρ’. Si la pression étudiée p augmente de ∆p, le niveau de la surface<br />
de séparation des deux liquides baisse de z.<br />
Exprimer ∆p et la sensibilité z/∆p en fonction de ρ, ρ’ et des sections<br />
droites s et S du tube et des cuves.<br />
A.N. On utilise souvent l’eau à 20 °C (ρ = 998 kg/m 3 ) et l’aniline à 20 °C<br />
(ρ’ = 1 022 kg/m 3 ). Calculer la variation de pression correspondant à<br />
une variation de niveau z de 1 mm, si S/s = 100. Comparer à un<br />
manomètre à liquide simple (exercice 2 avec α = π/2).<br />
Exercice 6 - Répartition de pression dans l’océan<br />
Considérons un océan en équilibre isotherme. La masse volumique de l’eau varie avec la pression selon<br />
la loi ρ = ρ0(<br />
1+ a(<br />
p − p0<br />
) ) où a = 10 -10 Pa -1 . La profondeur est notée h. Pour h = 0, p = p0 = 10 5 Pa et ρ = ρ0<br />
= 10 3 kg/m 3 .<br />
Donner la loi p(h).<br />
Que devient cette loi pour des profondeurs faibles ?<br />
A.N. : h = 1 km. Quelle est l’erreur relative commise en utilisant la loi approchée ?<br />
2
Forces hydrostatiques<br />
Exercice 7 - Force de pression<br />
Une porte rectangulaire de 2 m de large est placée<br />
dans la paroi verticale d'un réservoir contenant de<br />
l'eau (voir figure ci-contre). On souhaite que cette<br />
porte s'ouvre automatiquement quand le niveau d'eau<br />
par rapport au bord supérieur de la porte dépasse<br />
10 m.<br />
1. Établir l'expression littérale de la force de pression<br />
exercée sur la porte en fonction du niveau d'eau H, de<br />
la hauteur h de la porte et de sa largeur l.<br />
2. Évaluer numériquement l'intensité de la force exercée<br />
pour une porte de 4 m de haut et un niveau H = 10 m.<br />
Exercice 8 - Forces sur les parois d’un vase<br />
Préliminaire : Calculer la poussée qui s’exerce sur une surface plane rectangulaire de longueur L et dont<br />
la largeur est la trace AB, inclinée d’un angle α par rapport à l’horizontal.<br />
Calculer la force de pression du liquide sur chacune des parois du vase décrit ci-dessous. Quelle est la<br />
résultante ? La comparer au poids du liquide.<br />
Exercice 9 - Aréomètre<br />
3<br />
Les deux parois<br />
latérales sont<br />
inclinées d’un angle<br />
α. Les deux autres<br />
parois sont<br />
verticales. La base<br />
est carrée.<br />
Un aréomètre sert à mesurer la densité d’un liquide. C’est une sphère de volume V surmontée d’un tube<br />
capillaire gradué de section s et de longueur l. L’ensemble est étanche et lesté de façon que, lorsque<br />
l’appareil est plongé dans l’eau pure (de masse volumique ρ0), le niveau de l’eau arrive à la graduation 0.<br />
Si on le plonge dans un liquide de masse volumique ρ, l’appareil flotte et s’enfonce d’une hauteur x. La<br />
masse volumique ρ est-elle plus grande ou plus petite que ρ0 ?<br />
Exprimer la densité d = ρ / ρ0 en fonction de x et en déduire la sensibilité de l’appareil σ = ∆x / ∆d. Pour<br />
quel liquide le densimètre est-il le plus précis ? Préciser le domaine de validité de l’appareil.<br />
A.N. : V = 10 -5 m 3 ; s = 10 -5 m 2 ; l = 12 cm.<br />
Exercice 10 - Corps flottant<br />
B<br />
α<br />
A<br />
h<br />
Un glaçon flotte dans un verre d’eau plein à ras bord. Le glaçon fond, le verre déborde-t-il ? Quelle<br />
proportion du volume total d’un iceberg représente la partie immergée, sachant que la masse volumique<br />
de la glace est de 900 kg/m 3 et celle de l’eau salée 1 025 kg/m 3 ? Que pensez-vous de l’augmentation de<br />
l’eau des océans due à la fonte des icebergs ?<br />
a<br />
α<br />
H = 10 m<br />
h = 4 m<br />
z<br />
0<br />
dz
TD 2 Cinématique<br />
des fluides<br />
Trajectoires et lignes de courant<br />
Exercice 1<br />
Un écoulement est défini par les composantes du vecteur vitesse :<br />
u = u0, v = v0 + at, w = 0<br />
Étudier les lignes de courant et les trajectoires.<br />
Rotation et déformation<br />
Exercice 2<br />
On considère un écoulement permanent dont le champ de vitesse admet comme composantes, en<br />
coordonnées cylindriques et pour r ≠ 0 :<br />
B<br />
vr = 0,<br />
vθ<br />
= Ar + , vz<br />
= 0<br />
r<br />
où A et B sont deux constantes.<br />
Le mouvement se fait-il de façon isovolume ?<br />
Calculer les composantes du rotationnel et du tenseur des vitesses de déformation.<br />
Après avoir identifié les lignes de courant, discuter les cas particuliers A = 0 et B = 0 et interpréter<br />
physiquement les résultats.<br />
4
TD 3<br />
Dynamique des<br />
fluides parfaits<br />
Conservation de la masse. Débit massique<br />
Exercice 1 – Expression macroscopique d’un bilan de masse<br />
On examine une partie fixe Ω de l’espace,<br />
constamment emplie de fluide.<br />
1. On note son volume V, sa frontière A et m(t) la<br />
masse de fluide que cette partie Ω contient à<br />
l’instant t. En faisant un bilan de masse sur le<br />
dm () t<br />
volume V, exprimer le taux de variation<br />
dt<br />
de masse par rapport au temps.<br />
2. On applique ce qui précède à la partie Ω de volume V constituée par un élément de conduit de<br />
section d’entrée A1 et de section de sortie A2. L’écoulement sera considéré unidimensionnel en entrée<br />
et en sortie. La vitesse dans la section Ai est notée vi.<br />
A1<br />
v1 r<br />
Exercice 2 – Champ de vitesse<br />
5<br />
() t<br />
dm<br />
Quelle est alors l’expression de ?<br />
dt<br />
Que devient cette expression lorsque l’écoulement<br />
est stationnaire ?<br />
Que devient cette expression lorsque l’écoulement<br />
est stationnaire et incompressible ?<br />
Soit un fluide incompressible, de masse volumique ρ, s’écoulant dans un tuyau horizontal d’axe Ox de<br />
section circulaire, avec un rétrécissement. Le champ de vitesse est :<br />
r r r<br />
v = vx ( x) ex −αrer<br />
où α est une constante donnée.<br />
1. L’écoulement est-il permanent (= stationnaire) ?<br />
2. En vous aidant de l’équation de continuité (équation locale traduisant la conservation de la masse)<br />
d’un fluide incompressible, calculer vx( x ) sachant que vx ( 0) = v0est<br />
donné.<br />
3. Calculer le débit massique à travers l’entrée du tuyau de rayon R. Calculer le débit à la sortie du tuyau.<br />
4. Calculer le champ d’accélération du fluide a r .<br />
5. L’écoulement est-il rotationnel ou irrotationnel ?<br />
n v<br />
A2<br />
v 2<br />
r<br />
Ω<br />
V<br />
Le volume de contrôle V est<br />
fixe. Sa surface est A. La<br />
normale extérieure en un point<br />
de cette surface est n v .<br />
A<br />
n v
Théorème de Bernoulli<br />
Exercice 3 – Écoulement à travers un ajutage<br />
Une cuve est remplie d’eau (voir schéma ci-dessous). On supposera que le niveau A dans la cuve est<br />
constant. Le fluide s’écoule par un trou de diamètre D situé dans le fond de la cuve. L’eau sera considérée<br />
comme un fluide parfait incompressible.<br />
1. Énoncer le théorème de Bernoulli pour un fluide parfait en<br />
précisant la signification des différents termes.<br />
2. Appliquer le théorème de Bernoulli entre les points A et B et<br />
déterminer l’expression littérale de la vitesse vB au niveau du<br />
trou.<br />
3. Donner les relations permettant de calculer le débit-volume et le<br />
débit-masse au point B.<br />
4. Calculer numériquement la vitesse vB et le débit-volume au point<br />
B.<br />
5. En fait, le débit réel vaut 0,92 L/s. Comparer à la valeur trouvée<br />
ci-dessus. On explique en partie cette différence par une<br />
contraction de la veine liquide à la sortie de l’orifice. En déduire<br />
le diamètre D’ de la veine liquide à la sortie de la cuve.<br />
Valeurs numériques :<br />
H = 0,82 m D = 2,0 cm ρ = 1000 kg/m 3<br />
Exercice 4 – Mesure de débit avec un Venturi incliné<br />
Une des méthodes peu coûteuses employées pour<br />
la mesure du débit dans une canalisation est<br />
l’utilisation d’un tube de Venturi. Il est proposé de<br />
démontrer qu’avec cet instrument, il est possible, en<br />
supposant que l’écoulement stationnaire est<br />
unidimensionnel au moins dans les sections A0 et A1<br />
et que le fluide circulant est dénué de viscosité, de<br />
calculer le débit de ce fluide, et ceci sans<br />
qu’intervienne l’inclinaison éventuelle de l’appareil.<br />
Le fluide en écoulement est une huile incompressible<br />
de masse volumique ρ = 820 kg/m 3 . La section A0<br />
d’entrée dans le Venturi est caractérisée par son<br />
diamètre D0 = 125 mm. La seconde prise de<br />
pression statique est en section A1 où le diamètre est<br />
D1 = 50 mm. A l’intérieur du tube en U où aboutissent<br />
les prises de pression est placé un fluide de mesure<br />
de masse volumique ρm = 13 600 kg/m 3 (mercure).<br />
L’inclinaison du tube et les différentes cotes de<br />
niveaux sont repérées par rapport à une base<br />
horizontale arbitraire.<br />
En supposant qu’une ligne de courant (au moins) passe par des points voisins de chacun des orifices de<br />
prise de pression, calculer la valeur du débit volumique d’huile, lorsque la dénivellation observée dans le<br />
tube en U est ∆h = 200 mm. On prendra g = 9,81 m/s 2 .<br />
6<br />
atmosphère<br />
A<br />
B<br />
atmosphère<br />
z<br />
H<br />
0
On procède d’une autre manière pour aboutir au résultat. On supprime l’hypothèse de la ligne de courant<br />
passant par les deux orifices et on suppose à la place que l’écoulement est rectiligne en chacune des<br />
deux sections A0 et A1. Retrouver le résultat précédent en vous appuyant sur la ligne de courant médiane.<br />
Exercice 5 – Jet décoratif<br />
Conformément au croquis ci-dessous, la conduite d’amenée d’un jet d’eau à caractère décoratif a un<br />
diamètre intérieur d1 = 0,8 m et se termine par un embout d2 = 0,1 m. La hauteur du jet d’eau est de 160<br />
m et sa sortie est située à 2 m au-dessus de l’axe de la tuyauterie. On donne ρeau = 1 000 kg/m 3 .<br />
On néglige les différentes pertes de pression et les<br />
variations de pression atmosphérique dues aux différences<br />
d’altitude (p0 = 101 325 Pa).<br />
a. Calculer la pression totale du fluide, définie par p + ρgz<br />
+ ρv 2 /2, au point 3, sommet du jet. En déduire la<br />
vitesse de l’eau à la sortie du jet, v2, en utilisant le<br />
théorème de Bernoulli entre 2 et 3.<br />
b. Calculer le débit massique d’eau m& puis la vitesse v1<br />
dans la conduite d’amenée.<br />
c. Toujours par application du théorème de Bernoulli,<br />
calculer la pression p1 qui règne dans la conduite<br />
d’amenée au niveau de l’axe.<br />
d. Déterminer la pression p1’ indiquée par le manomètre<br />
piqué sur la paroi de la conduite d’amenée.<br />
Bilan de la quantité de mouvement sous<br />
forme globale (théorème d’Euler)<br />
Exercice 6 – Effort subi par un diffuseur<br />
Un fluide incompressible, de masse volumique ρ, circule dans un conduit dont la section augmente<br />
progressivement 1 , passant de Ae à As > Ae. On pose α = Ae/As (0 ≤ α ≤ 1). Un tel écoulement soumet la<br />
conduite à un effort F qu’il s’agit de calculer en négligeant les forces de pesanteur et de viscosité. Les<br />
profils de vitesse et de pression seront pris uniformes dans les deux sections Ae et As.<br />
Exprimer F en fonction des grandeurs<br />
d’entrée et de sortie ; puis, en appliquant le<br />
théorème de Bernoulli entre l’amont et l’aval<br />
du diffuseur, exprimer le résultat à partir des<br />
valeurs prises dans la section d’entrée.<br />
Ae<br />
n<br />
e<br />
r<br />
1 Le résultat n’aura de sens en pratique qu’en l’absence de décollement dans le divergent. Cette condition est en général<br />
vérifiée pour une valeur de l’angle du divergent inférieure ou de l’ordre de 7 à 8 degrés.<br />
7<br />
z (m)<br />
S<br />
ve<br />
p1’<br />
As<br />
n<br />
s<br />
r<br />
vs
Exercice 7 – Poussée d’un moteur à réaction<br />
La figure ci-dessous représente le modèle du moteur qui sert de base à l’analyse. Nous utilisons un<br />
système de coordonnées en translation uniforme avec le moteur ; dans ce système, le moteur est au<br />
repos et le fluide situé en amont se dirige vers le moteur à la vitesse v0.<br />
La section d’entrée du fluide dans le volume de contrôle (voir figure) est placée suffisamment en amont du<br />
moteur de telle sorte que la pression et la vitesse qui règnent dans cette section soient respectivement p0<br />
et v0 (les conditions à l’infini amont dans l’écoulement libre).<br />
La section de sortie du fluide est la section de sortie du moteur et les conditions qui règnent dans cette<br />
section d’éjection sont pe, ve. Le débit masse rentrant dans le moteur est a<br />
m& et le débit sortant, constitué<br />
par la somme du débit d’air et du débit de carburant est : m&<br />
= m&<br />
+ m&<br />
.<br />
e a f<br />
Calculer la poussée développée par le moteur en appliquant le théorème des quantités de mouvement.<br />
On négligera les forces de pesanteur.<br />
A.N. : Un turboréacteur propulse un avion à une vitesse constante de 300 m/s. Le débit masse d’air qui<br />
passe dans le turboréacteur est de 90 kg/s, le débit de carburant est de 2 kg/s. La vitesse d’éjection des<br />
gaz est de 620 m/s et la pression d’éjection est égale à la pression ambiante.<br />
Volume de contrôle pour la détermination de la poussée d’un turboréacteur.<br />
8
TD 4<br />
Viscosité<br />
Exercice 1 – Palier lubrifié<br />
Dynamique des<br />
fluides réels<br />
On considère un axe de rayon R = 2 cm en rotation à N = 7200<br />
tours/min dans un palier lubrifié. On supposera que<br />
l’espacement entre l’axe et le palier est constant et égal à h =<br />
0,04 mm. La viscosité de l’huile est 0,020 poiseuilles et sa<br />
masse volumique est ρ = 920 kg/m 3 . Le palier mesure 5 cm de<br />
longueur. On tiendra compte du fait que la distance entre l’axe et<br />
le palier est petite devant le rayon moyen.<br />
On suppose que la charge sur l’axe est très faible, de telle sorte que les forces de frottement associées à<br />
la viscosité sont seules importantes. Calculer la contrainte agissant sur le fluide au niveau de l’axe, la force<br />
de frottement développé sur l’axe, le couple correspondant et la puissance nécessaire pour faire tourner<br />
l’axe.<br />
Équation de Navier-Stokes<br />
Exercice 2 – Écoulement de Couette<br />
On considère l’écoulement laminaire et permanent d’un fluide visqueux newtonien, incompressible, entre<br />
deux plaques parallèles horizontales espacées d’une distance h. La plaque supérieure est en mouvement<br />
à la vitesse V, alors que la plaque inférieure est statique. Les deux plaques sont considérées de<br />
dimensions infinies dans les deux directions x et y. L’écoulement est unidimensionnel, parallèle à la<br />
direction x. On note µ le coefficient de viscosité dynamique du fluide et ρ sa masse volumique. On étudie<br />
le régime permanent.<br />
h<br />
z V<br />
1. Écrire l’équation de continuité, compte tenu des hypothèses.<br />
2. Écrire les équations de bilan des quantités de mouvement. On posera, sans le démontrer, que la<br />
pression ne varie pas suivant x (car plaques infinies).<br />
3. Montrer que la pression varie, sur une verticale, suivant une loi hydrostatique.<br />
x<br />
9
4. Déterminer la distribution de vitesse entre les plaques en intégrant l’équation du mouvement et en<br />
utilisant les conditions aux limites correspondantes.<br />
5. Considérons la situation pour laquelle le fluide est de l’huile pour moteur et h = 3 mm. La vitesse de la<br />
plaque en mouvement est V = 10 m/s. On suppose que les propriétés de l’huile sont constantes. On<br />
donne :<br />
ρ = 888,2 kg/m 3<br />
ν = µ/ρ = 900 10 -6 m 2 /s<br />
Déterminer les contraintes de viscosité et en déduire l'expression de la force par unité de surface<br />
nécessaire pour assurer le mouvement de la plaque supérieure à vitesse constante V.<br />
Exercice 3 – Écoulement de Poiseuille plan<br />
On considère une géométrie idéale où le fluide incompressible de viscosité µ s’écoule entre deux plans<br />
fixes parallèles distants d’une largeur 2h. On suppose en outre que le fluide est non pesant (forces de<br />
gravité négligeables) et que le mouvement est permanent (stationnaire dans le temps), rectiligne, parallèle<br />
aux plans et bidimensionnel.<br />
y<br />
+h<br />
-h<br />
Sens du<br />
mouvement<br />
Conformément aux notations de la figure, on prend l’axe des x colinéaire à celui du mouvement, la<br />
direction normale aux plans étant prise pour axe y. L’axe z, orthogonal au plan de la figure complète le<br />
trièdre orthonormé. On désigne par vx, vy et vz les composantes du vecteur vitesse dans le repère ainsi<br />
constitué et par p la pression.<br />
En raison du caractère plan de l’écoulement on a, pour toute fonction du champ de celui-ci ∂ ∂z<br />
= 0 , et<br />
par raison de stationnarité ∂ ∂t<br />
= 0 . Le problème dynamique posé par cet écoulement se réduit donc à la<br />
détermination des quatre fonctions scalaires vx(x,y), vy(x,y), vz(x,y) et p(x,y) entre les deux plans.<br />
6. Traduisez le caractère parallèle du mouvement et écrivez l’équation de continuité.<br />
7. Écrire les équations de bilan des quantités de mouvement (en les simplifiant au maximum compte<br />
tenu des hypothèses).<br />
8. Comment la pression varie-t-elle sur une verticale (suivant y) ? De quelle variable dépend la vitesse<br />
vx ?<br />
Réécrivez alors la 1 re équation de Navier-Stokes sous la forme d’une égalité de deux fonctions<br />
inconnues à variables séparées.<br />
9. En déduire la loi de variation longitudinale (suivant x) de la pression. On notera p0 la pression de<br />
référence en x = 0, et A la constante qui subsiste après l’intégration.<br />
10. Déterminez le profil de vitesse entre les plaques en fonction de A.<br />
Que vaut la vitesse maximale en fonction de h, µ et A ? Quel est le signe de A ? Que vaut la vitesse<br />
moyenne ?<br />
Exprimer A en fonction du débit volumique par unité de largeur (largeur = dimension suivant z).<br />
11. Déduire des résultats précédents le tenseur des contraintes visqueuses et calculer la contrainte de<br />
τ à la paroi supérieure.<br />
cisaillement τxy en fonction de A. Que vaut en particulier le frottement p<br />
10<br />
x
12. Exprimer A en fonction de τ p . En déduire l’expression de la perte de pression le long de l’écoulement<br />
dp<br />
en fonction de τ p .<br />
dx<br />
Écoulements laminaires et écoulements<br />
turbulents. Pertes de charge<br />
Exercice 4 – Écoulement laminaire dans une canalisation 2<br />
1. Soit une conduite horizontale dans laquelle circule une huile de masse volumique ρ = 800 kg/m 3 et de<br />
viscosité µ = 0,10 Pl. La longueur de la conduite est de 10 km et son diamètre de 100 mm. Le débit à<br />
assurer étant de 20 m 3 /h, quelle est la puissance à prévoir ?<br />
2. On considère une canalisation inclinée de 10 m de longueur où s’écoule le même fluide que<br />
précédemment. Le diamètre de la canalisation est de 20 mm et la différence de niveau entre l’entrée<br />
et la sortie est de 5 m.<br />
La pression dans la section basse 1, p1, est maintenue égale à 3 bars, la pression dans la section<br />
haute, p2, étant égale à 1,5 bars.<br />
Vérifier d’abord que l’écoulement se fait bien de bas en haut (dans le sens 1 → 2), puis calculer le<br />
débit de liquide dans la canalisation ainsi que le nombre de Reynolds de l’écoulement.<br />
Exercice 5 - Dimensionnement d’une canalisation<br />
1. Une conduite assure un débit liquide permanent de 50 L/s. Quel diamètre de conduite permettrait<br />
d’obtenir un Reynolds de 2000 ? Conclure.<br />
2. Faire la même évaluation en supposant cette fois que le nombre de Reynolds vaut 10 5 . Calculer le<br />
facteur de frottement dans le cas d’une conduite hydrauliquement lisse. Déterminer la longueur de la<br />
canalisation si la variation de pression entre l’entrée et la sortie vaut 10 6 Pa. Conclure.<br />
3. On envisage maintenant une conduite hydrauliquement lisse de 1 km de longueur. La variation de<br />
pression entre l’entrée et la sortie vaut 10 6 Pa et le débit volumique est encore de 50 L/s. Déterminer<br />
le diamètre de la canalisation.<br />
Données : le fluide considéré est de l’eau. On supposera qu’il s’agit d’un liquide incompressible pour<br />
lequel ρ = 10 3 kg/m 3 et µ = 10 -3 kgm -1 s -1 . Pour des écoulements turbulents en conduite hydrauliquement<br />
lisses et un nombre de Reynolds inférieur ou égal à 10 5 , le facteur de frottement (ou coefficient de perte de<br />
charge linéaire 3 ) est donné par la formule de Blasius :<br />
λ = 0,<br />
316<br />
−1<br />
4 ( Re)<br />
Pour des nombres de Reynolds supérieurs à 10 5 , on peut utiliser la formule de Nikuradsé :<br />
1<br />
= 2 log<br />
λ<br />
2 ∆ p<br />
On rappelle la formule de Poiseuille : t<br />
L<br />
32µ v<br />
= m<br />
2<br />
D<br />
3<br />
On rappelle que ce coefficient est défini par λ=<br />
∆Pt<br />
L<br />
1 2<br />
ρvm<br />
D<br />
2<br />
( λRe)<br />
− 0,<br />
8<br />
11
Représentation monodimensionnelle d’un<br />
écoulement permanent en conduite<br />
Exercice 6 – Estimation des coefficients de répartition<br />
Les problèmes des écoulements en conduite qui sont strictement tridimensionnel sont ramenés, pour<br />
simplification, à des problèmes monodimensionnels selon l’abscisse x, en rapportant en chaque x des<br />
grandeurs moyennes dans la section droite d’abscisse x. Pour bien peser cette approximation très usuelle,<br />
nous allons en faire l’analyse sur un écoulement laminaire et un écoulement turbulent.<br />
On considère l’écoulement d’un fluide incompressible dans un conduit de section circulaire de rayon R et<br />
on envisage :<br />
(a) un écoulement unidimensionnel de vitesse uniforme v0 ;<br />
2 ⎛ r ⎞<br />
(b) un écoulement laminaire de profil de vitesse dans une section droite : v() r = vL⎜1− 2 ⎟ ;<br />
⎝ R ⎠<br />
(c) un écoulement correspondant à un nombre de Reynolds Re = 10 5 . Le profil de vitesse est bien<br />
1<br />
⎛ r ⎞n<br />
représenté par : v() r = vT⎜1− R<br />
⎟ avec n = 7.<br />
⎝ ⎠<br />
Pour effectuer la comparaison, on suppose que les trois écoulements assurent le même débit massique<br />
m& .<br />
1. Déterminer les valeurs de vL et vT en fonction de v0.<br />
2. Calculer les débits de quantité de mouvement et d’énergie cinétique.<br />
3. En déduire les coefficients de répartition de quantité de mouvement β et d’énergie cinétique α,<br />
définis respectivement par :<br />
1<br />
β= ρ<br />
mv & ∫∫<br />
A<br />
1<br />
α= ρ 2<br />
mv &<br />
∫∫<br />
A<br />
2<br />
vdA<br />
3<br />
vdA<br />
12