P8 : Initiation à la mécanique des fluides

Documents pareils
Premier principe de la thermodynamique - conservation de l énergie

Initiation à la Mécanique des Fluides. Mr. Zoubir HAMIDI

Chapitre 10 : Mécanique des fluides

HYDRAULIQUE GENERALE

NOTICE DOUBLE DIPLÔME

3ème séance de Mécanique des fluides. Rappels sur les premières séances Aujourd hui : le modèle du fluide parfait. 2 Écoulements potentiels

Repérage d un point - Vitesse et

Mécanique des fluides Rappels

Système formé de deux points

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

T.P. FLUENT. Cours Mécanique des Fluides. 24 février 2006 NAZIH MARZOUQY

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

cel , version 1-28 Oct 2010

Cours Fonctions de deux variables

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

UNITÉ DE PROGRAMME : S9UP1 Modélisation de la turbulence

Continuité et dérivabilité d une fonction

TS Physique Satellite à la recherche de sa planète Exercice résolu

Chapitre 2 : Caractéristiques du mouvement d un solide

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

C est un mouvement plan dont la trajectoire est un cercle ou une portion de cercle. Le module du vecteur position OM est constant et il est égal au

Comparaisons des premières formulations du Théorème de Bernoulli de l hydrodynamique à un

Contenu pédagogique des unités d enseignement Semestre 1(1 ère année) Domaine : Sciences et techniques et Sciences de la matière

Université de Caen. Relativité générale. C. LONGUEMARE Applications version mars 2014

Michel Henry Nicolas Delorme

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

1 Mise en application

MATIE RE DU COURS DE PHYSIQUE

Cours d électricité. Introduction. Mathieu Bardoux. 1 re année. IUT Saint-Omer / Dunkerque Département Génie Thermique et Énergie

Commun à tous les candidats

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

Cours de mécanique des fluides. Olivier LOUISNARD

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Cours de résistance des matériaux

PHYSIQUE Discipline fondamentale

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Rupture et plasticité

FLUIDES EN ÉCOULEMENT Méthodes et modèles

Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

LES LOIS PHYSIQUES APPLIQUÉES AUX DEUX-ROUES : 1. LA FORCE DE GUIDAGE

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

Chapitre 7: Dynamique des fluides

Premier principe : bilans d énergie

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

Analyse statique d une pièce

Fonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux

Formation à la C F D Computational Fluid Dynamics. Formation à la CFD, Ph Parnaudeau

Introduction aux plasmas. Magneto-hydrodynamique

Plan du chapitre «Milieux diélectriques»

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Audioprothésiste / stage i-prépa intensif -

CABLECAM de HYMATOM. Figure 1 : Schéma du système câblecam et détail du moufle vu de dessus.

SSNL126 - Flambement élastoplastique d'une poutre droite. Deux modélisations permettent de tester le critère de flambement en élastoplasticité :

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Annales de Physique aux BTS Mécanique des fluides Table des matières

Cours de Mécanique du point matériel

Dérivation : cours. Dérivation dans R

10 leçon 2. Leçon n 2 : Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1 er CU)

Cours de Résistance des Matériaux (RDM)

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

DM n o 8 TS Physique 10 (satellites) + Chimie 12 (catalyse) Exercice 1 Lancement d un satellite météorologique

Exercice 1. Exercice n 1 : Déséquilibre mécanique

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Intégrales doubles et triples - M

SYLLABUS. CMI «Mécanique»

TP 7 : oscillateur de torsion

Cours 1. Bases physiques de l électronique

Principes généraux de la modélisation de la dispersion atmosphérique

L énergie grâce à l eau ça coule de source!

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Fonctions de plusieurs variables

BACCALAUREAT GENERAL MATHÉMATIQUES

PHYSIQUE. Calculatrices autorisées. Quelques enjeux de la fusion thermonucléaire inertielle laser

CONCOURS COMMUN 2010 PHYSIQUE

Fonctions holomorphes

3 Approximation de solutions d équations

C f tracée ci- contre est la représentation graphique d une

Chapitre 9 : Applications des lois de Newton et Kepler à l'étude du mouvement des planètes et des satellites

SEANCE 4 : MECANIQUE THEOREMES FONDAMENTAUX

I. Polynômes de Tchebychev

Le modèle de Black et Scholes

Fonctions de plusieurs variables : dérivés partielles, diérentielle. Fonctions composées. Fonctions de classe C 1. Exemples

Chapitre 5. Le ressort. F ext. F ressort

Les calculatrices sont autorisées

Cours de turbomachine à fluide compressible

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

Information. BASES LITTERAIRES Etre capable de répondre à une question du type «la valeur trouvée respecte t-elle le cahier des charges?

Nombre dérivé et tangente

FORMULAIRE FORMULAIRE

Objectifs du cours Modélisation de la Turbulence M2 - EE

LA DISPERSION ATMOSPHERIQUE

PHYS-F-104_C) Physique I (mécanique, ondes et optiques) Solutions des questions d'examens ( )

Simulation d essais d extinction et de roulis forcé à l aide d un code de calcul Navier-Stokes à surface libre instationnaire

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Notes de cours. Mécanique des fluides

Transcription:

INA de Rouen - TPI - Année 011-01 P8 : Initiation à la mécanique des fluides 1 Généralités 1.1 Les définitions et propriétés des fluides Particule fluide : élément infinitésimal devant la dimension du système étudié. dm Masse volumique: ρ = lim Densité : d = ρ dv 0 dv ρ eau Continuité : la masse volumique est définie en tout point du système. Isotropie : Invariabilité des propriétés du fluide par changement de direction. Compressibilité isotherme : χ = 1 v taux de variation de volume pour une variation de pression. V p T Expérimentalement, on considère les liquides incompressibles et les gaz généralement compressibles. Viscosité dynamique η : Opposition aux déformations du fluide par l apparition de forces de frottement. 1. Les types de forces en présence Les Forces de volume : les forces usuelles gravité, inertie, magnétique... qui s appliquent en chaque point du système fluide. Notation : Force par unité de volume F V unité : N m 3 et par unité de masse f v unité : N kg 1 Les forces de surface qui s appliquent à la frontière du domaine considéré unité : Nm. Les forces intérieures : interactions moléculaires qui peuvent être considérées comme nulles pour un fluide non visqueux. 1.3 Les forces de surface Contrainte en N force surfacique : τ N = d F d Contrainte tangentielle ou scission force de viscosité : Composante tangente à la surface Fluide parfait non visqueux : η = 0 Fluide réel visqueux : d F s = η V x y d u x dans le cas d un déplacement selon u x unité de η : Poiseuille Pl = Pas Fluide au repos : V x y = 0 = d F s = 0 Contrainte normale force de pression : Composante normale à la surface Pression cinétique P c : P c = Nk B T Pression moléculaire P m : Traction exercée par les molécules extérieures sur les molécules intérieures à la surface de contrôle. Pression totale : P = P c P m Force de pression : d F P N = PNd n Force de tension de surface : oppose au déséquilibre des forces de cohésion moléculaire à l interface entre deux fluides. Expression : f = γl = σ L avec γ la tension superficielle Tension superficielle et énergie libre : σ = df avec A = Ldx l aire élémentaire de l interface. da Equation de Laplace : Variation de pression à l interface d une goutelette de rayon R : P int P ext = σ R 1

La tatique des fluides.1 Equation fondamentale de la statique des fludies Expression générale : F V = gradp Expression massique : ρ f V = gradp. Force de volume dérivant d un potentiel Force et potentiel : F P = gradu P Equation de la statique pour un fluide incompressible : gradp + ρu V = 0 Application dans le champ de pesanteur Pression hydrostatique : Pour un fluide incompressible à l équilibre P = P 0 + ρgh Théorème de Pascal : Au sein d un même fluide, les pressions sont intégralement transmises..3 Forces de pression exercées par un fluide sur un solide R = d F N Forces de contact entre un fluide et une paroi : {τ TP } = O M O = ON d F N Paroi plane et horizontale : d F N = PNd n = R = P 0 + ρgh n Paroi plane et inclinée : d F N =PNd P 0 n = R = ρgh P n hd h d avec la poussée h P = d et le centre de poussée à la hauteur h B = hd Poussée d Archimède : Π = ρv g Z la résultante des forces de pression d un fluide sur un corps statiquement immergé. 3 La cinématique des fluides 3.1 Définitions Trajectoire : chemin suivi par une particule fluide au cours du temps. Ligne d émission : ensemble des particules fluides ayant coïncidé à un instant antérieur avec un point particulier. Exemple : panache de fumée Ligne de courant : courbe qui, à un instant donné, admet comme tangente en chacun de ses points un vecteur vitesse. Tube de courant : surface formée par l ensemble des lignes de courant s appuyant sur une courbe fermée. Exemple : courants ascendants, Gulf tream... Champ uniforme : Champ de vecteurs identiques en tout point. Champ permanent ou stationnaire : Champ de vecteurs indépendants du temps. 3. Descriptions lagrangienne et eulerienne 3..1 Description lagrangienne Il s agit de suivre la trajectoire de chaque particule par l application t r r 0,t 0,t Expression de l accélération : a r 0,t = d r r 0,t dt

3.. Description eulerienne On considère un champ vectoriel ou scalaire A aux variables de position et de temps indépendantes. Variation temporelle du champ A du point de vue d une particule se déplaçant à la vitese U : d A A = dt t Dérivée particulaire Caractère non permanent + A U Caractère non uniforme Dérivée hydrodynamique d après la relation précédente considérée pour A = U : a i = U i t + U i U k k x k 3.3 Débit ou Flux au travers d une surface On considère une description eulérienne. Débit volumique : q V = U d Débit massique : q m = ρ U d Conservation du débit cas du tube de courant : Pour un même fluide dans un tube de courant, ρ 1 U 1 d 1 = ρ U d 3.4 Equation de la continuité Débit et taux de variation de masse : m t = q M,e + q M,s Equation de la continuité : ens particulaire dρ dt + ρdiv U = 0 : ens spatial : ρ t + div ρu = 0 3.5 Ecoulement irrotationnel Définitions : rot U = 0 U = gradϕ avec ϕ un potentiel des vitesses Cas du fluide irrotationnel incompressible : ϕ = 0 Equation de Laplace 3.6 Fonction de courant Définition : Ψ fonction de courant Ψ = cste ligne de courant Ψ Equation associée : U x x +U Ψ y y +U Ψ z z = 0 Ψ Ecoulement plan : nécessairement incompressible avec U x x +U Ψ y y = 0 Ecoulement Rotationnel : rot U = Ψ z Débit volumique et fonction de courant : dq v = dψ = q v = Ψ Ψ 1 Détermination des lignes de courant : U x dx = U y dy = U z dz 3

4 La dynamique des fluides 4.1 Equation d Euler : Hypothèse : Fluide non visqueux Equation d Euler : U t + U U = f v 1 P ρ 4. Ecoulement parallèle Définition : Fluide aux lignes de courant parallèles Repère intrinsèque Repère de Frénet : T, N Equation d Euler : F v N = P avec n l ordonnée curviligne n 4.3 Equation de Bernoulli 4.3.1 Enoncés : Hypothèses : Fluide non visqueux Forces de volume issues d un potentiel : f v = u v Evolution le long d un ligne de courant projection : Ecoulement stationnaire : d Fluide incompressible : d U U + u v + u v + P ρ + dp ρ = 0 = 0 U U t d l + d + u v + dp ρ = 0 Théorème de Bernoulli : uivant les hypothèses précédentes : P ρ + 1 U +U v = cte en tout point 4.3. Applications sous le seul champ de pesanteur : Equation de Bernoulli : P + 1 U + ρgz = cte Tube de Pitot : U = gz C z D Effet Venturi : P A P B = q m 1 ρ B 1 A + ρgz A z B Théorème de Torricelli Ecoulement depuis un réservoir : En négligeant la vitesse d écoulement à la surface, U = gh Effet Magnus : La rotation de la balle peut entraîner une dépression qui va emmener la balle vers le sol, au contraire du principe d Archimède. 4.4 Théorème d Euler Hypothèse : Ecoulement permanent incompressible 4

Théorème d Euler : F + F V = U ρ U n d Enoncé : La somme des forces extérieures appliquée à ce fluide et égale au flux de quantité de mouvement de ce fluide traversant la surface de contrôle. 4.5 Equation de Navier-tokes : On se place dans le cas d un fluide visqueux incompressible. On définir le tenseur [ϕ] des contraintes par d F = [ϕ] n d. L équation de Navier-tokes est alors celle-ci, projetée sur une dimension i : U i t +U U i k = f vi 1 P + µ U i x k ρ x i ρ xk Analyse dimensionnelle : On définit des grandeurs caractéristiques v, f 0, L, P et g pour estimer les ordres de grandeurs de l Equation par rapport à la grandeur caractéristique de la force d inertie. On obtient L f 0 v + 1 = Lg v P P 0 ρv + µ ρlv Ou encore t + 1 = 1 Fr Eu + 1 Re avec : t = L f 0 v nombre de tuart : t << 1 instationnarité négligeable. Fr = v nombre de Froude : Fr << 1 pesanteur négligeable devant l inertie. Lg Eu = P P 0 1 ρv nombre d Euler : Eu << 1 travail des fluctuations de pression négligeables devant l énergie cinétique. Re = ρlv nombre de Reynolds : Re >> 1 inertie prédominant la viscosité, tourbillon non dissipé = Ecoulement turbulent µ 5