Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

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    Chapitre 1: Statique des Fluides

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    Dfinition : On appelle fluide un corps qui peutchanger de forme sous laction dune force trs faible.

    Fluide : une substance constitue de particules quichange leur position par rapport l'autre.

    1- Gnralits sur les fluides

    ne su stance qui continu former orsque acontrainte de cisaillement est applique.

    Solides rsistent aux forces, ne se dforment pas

    facilement.

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    Statique des fluides : ltude des conditions

    dquilibre dun fluide au repos

    Description : deux description sont possibles :

    1-1 Description dun fluide

    Macroscopique : on adaptera une telle approche au

    travers la notion de milieu continu.

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    1-2 Notion de pression

    Proprits de la pression

    .

    Les actions ou les forces de pression sexercent toujours

    . ( )

    perpen cu a remen aux sur aces sur esque es e es ag ssen .

    La pression en nimporte quel point dun fluide est la mme dans toutes

    les directions.

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    1-2 Notion de pression

    Les units de la pression

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    1-2 Notion de pression

    Pression absolue

    - La pression absolue dsigne la pression

    physiquement relle. Les proprits des fluides

    .

    - Une pression absolue nulle rvle labsence de

    matire, cest--dire le vide.

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    1-2 Notion de pression

    Pression relative (ou effective)

    Prelative = Pabsolue - Patm

    - orsque a press on re at ve ev ent n gat ve, onparle de la dpression.

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    1-2 Notion de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    -Le calcul de ces forces joue un rle capital dans ledimensionnement des retenues deau et des barrages.

    - On sait que est la force de pression lmentairesexerant sur la surface lmentaire dS.

    - La force totale :

    dSnp ..Fd r

    r

    =

    dSnpS

    ..F r

    r

    =

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    1-3 Equation fondamentale de la statique

    d

    (x,y,z)

    dx

    dz

    g

    d

    (x,y,z)

    dx

    dz

    (x,y,z)

    dx

    dz

    g

    Lquilibre de ce volume se traduit par (P.F.D)

    reprsente les forces qui sexercent sur cet lment de volume.

    F

    zezdFyeydFxexdFdF

    +

    +

    =

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    dy

    (x,y,z)

    dx

    dz

    g

    x

    y

    z

    zedxdyzp

    )(

    zen

    =

    zen

    =

    zedxdydzzp

    + )(

    dy

    (x,y,z)

    dx

    dz

    g

    dy

    (x,y,z)

    dx

    dz

    (x,y,z)

    dx

    dz

    g

    x

    y

    z

    x

    y

    z

    zedxdyzp

    )(

    zen

    =

    zen

    =

    zedxdydzzp

    + )(

    P.F.D : 0= F 0=

    z

    pg z

    =

    =

    0

    0

    y

    pg

    x

    pg

    y

    x

    =

    0)p(gradvF Forme vectorielle

    Par analogie :

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    1-4 Equation fondamentale de lhydrostatique

    h

    M

    g

    h

    M

    g

    ctegzP =+

    gdzdP =

    Equation fondamentale de lhydrostatique

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    Exemple 1:

    Un tube en U contient du mercure sur une hauteur de quelques centimtres. On

    verse dans lune des branches un mlange deau - alcool thylique qui forme une

    colonne de liquide de hauteur h1=30 cm. Dans lautre branche, on verse de leau

    pure de masse volumique 1000 kg/m3, jusqu ce que les deux surfaces du

    mercure reviennent dans un mme plan horizontal. On mesure alors la hauteurde la colonne deau h2=24 cm.

    pp quer a re a on on amen a e e

    lhydrostatique pour les trois fluides.

    2) En dduire la masse volumique du mlange eau

    alcool thylique.

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    dSnpS

    ..F 111r

    r

    =

    dSnpS

    ..F 222r

    r

    =

    avec

    z.g.pp atm +=1

    atmpp =2

    kin

    rr

    r

    ).sin().cos(.1 = 21 nn

    rr

    =

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    dSnpS

    ..F 111r

    r

    =

    dSnpS

    ..F 222r

    r

    =

    ==+=S

    dS.n.z.

    S

    dS.n.z.g.F1

    FF112

    rr

    rrr

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    r

    rrr

    S

    .... 121

    +=S S

    dSkzgdSizgF .).sin(....).cos(...rrr

    dxdS .1).sin( = dz.dS).cos( 1= )tan(/ dxdz =

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    ()

    +=2 2

    11

    ..).tan(......h

    h

    h

    h

    dzzkgdzzigFr

    rr

    k.

    hh

    ).tan(.g.i.

    hh

    .g.F

    rrr

    22

    21

    22

    21

    22 +

    =

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    Centre de pousse :

    Si est la force de pression sexerant sur une surface S,Fr

    a ors on peu avo r eso n e conna re e po n

    dapplication A de cette force.

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    1-5 Calcul des forces de pression

    Forces de pression sur des surfaces

    Exemple : Paroi plane incline

    Centre de pousse A :

    Pour les coordonnes du point A, il faut calculer le

    moment de la force par rapport un point O quelconque,puis identifier ce moment la rsultante des moments

    lmentaires par rapport ce mme point O.

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    1-6-1 Thorme dArchimde

    La rsultante des forces de pression sexerant sur un volume V immerg dans un

    fluide en quilibre hydrostatique est gale au poids du volume de fluide dplac.

    Cette force passe par le centre de gravit de la masse de fluide dplac.

    force exerce par le fluide sur le solide immerg :

    =S

    dSnpF

    1-6 Pousse dArchimde

    =V

    S fdVdSnf. formule du gradient :

    =V

    pdVF

    E.F.S :

    = gp l .

    ==== gVdVgdVgpdVF lVlV lV do :

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    Chapitre 2: Cinmatique des fluides

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    IL sagit dtudier le mouvement des particules fluides sans

    faire intervenir les forces qui entrent en jeu.

    Deux manires pour dcrire le mouvement dun systmemcani ue :

    Cinmatique des fluides

    Description Lagrangienne

    Description Eulrienne

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    2-1 Description Lagrangienne

    l'observateur suit chaque particule fluide partir de l'instant initial

    Une particule fluide donne occupe au cours du temps la position

    =OMx

    On prendra comme paramtre la position t = 00

    =OMa ),,,( 321 taaaa

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    Description Lagrangienne

    =

    a

    txtav ,

    Pour une particule fluide donne, ie pour fix, la vitesse est donne par :

    2-1-3 Vitesse et acclration

    Pour une articule fluide donne, ie our fix, lacclration est donne ar :

    a

    a

    Cas d'une proprit physique quelconque

    Les proprits physiques se rfrent aux particules fluides que l'on suit. Par

    exemple, on notera la temprature l'instant t de la particule fluide qui

    tait en l'instant initial.

    =

    a

    t

    vta,

    a

    taT ,

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    2-2 Description Eulrienne

    L'observateur est plac en un point M fixe du repre, et regarde passer les particules

    fluides devant lui. Ainsi, deux instants diffrents, ce n'est pas la mme particule qui

    occupe la position .

    Mx

    On notera la valeur de la proprit F au point linstant t.

    txF ,

    x

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    Description Eulrienne

    Les variables x1,x2 et x3 sont appeles variables dEuler :

    ( )

    ( )( )

    t,x,x,xv

    t,x,x,xv

    t,x,x,xv

    t,xv

    3213

    3212

    3211

    Lien entre les deux descriptions :

    Soit une proprit physique F du fluide (scalaire, vecteur, tenseur) :

    txF ,

    taF ,

    =

    t,t,axFt,aF

    Lagrangienne

    Eulrienne

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    2-2-1 Trajectoire :

    x Ensemble des positions occupes par une particule fluide donne.

    =

    txvdt

    xd , dttxvdx ii

    =

    ,

    dxdxdx 321

    txvtxvtxv

    ,,, 321

    2-2-2 Ligne de courant :

    Ligne dont la tangente en chacun de ses points est le vecteur vitesse de la particule

    fluide en ce point un instant t0 fix.

    Equation de la Trajectoire

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    Description Eulrienne

    = xdMM' Le long d'une telle ligne, t0 o n a :

    =

    =

    03

    3

    02

    2

    01

    1

    ,,, txv

    dx

    txv

    dx

    txv

    dx

    E uation des li nes de courant

    Cas particulier des coulements stationnaires :

    Dfinition : Un coulement est stationnaire si en description eulrienne les grandeurs

    sont indpendantes du temps.

    =

    xvtxv ,

    dt

    xv

    dx

    xv

    dx

    xv

    dx=

    =

    =

    3

    3

    2

    2

    1

    1

    =

    =

    xv

    dx

    xv

    dx

    xv

    dx

    3

    3

    2

    2

    1

    1

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    Description Eulrienne

    On en dduit que dans un coulement stationnaire les trajectoires et les lignes de

    courant sont confondues

    2-2-3 Acclration et drive particulaire

    En description Eulrienne il est claire que :

    txvttxvv

    +

    ,,

    tt

    xt

    =

    m,0

    fgradvt

    f

    Dt

    Df +

    = .

    +

    ==

    vgradv

    t

    v

    dt

    vdtx .,

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    Loi de conservation de la masse

    Dbit massique qui traverse toute la surface S dlimitant le volume V peut scrire

    sous la forme :

    dSnvS

    .

    =

    =

    VV

    dVt

    dVtt

    m

    La masse totale gnre par tout le volume par unit de temps scrit :

    V

    VdVq

    Bilan de masse :

    +=

    V

    V

    SV

    dVqdSnvdVt

    .

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    Loi de conservation de la masse

    On applique le thorme dOstrogradsky :

    +

    =

    V

    V

    VV

    dVqdVvdivdVt

    Vqvdivt

    =

    +

    Cas particuliers :

    Equation de conservation de la masse

    Ecoulement permanent : Vqvdiv =

    Ecoulement conservatif :0=

    +

    vdivt

    Ecoulement conservatif dun fluide incompressible : 0=

    vdiv

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    Ecoulement irrotationnel et potentiel de vitesse

    On appel coulement irrotationnel un coulement pour lequel :

    0=

    vrot

    Il existe une fonction (x,y,t) tel que :

    = gradv

    =

    xvx

    = yvy

    Un coulement irrotationnel est un coulement potentiel de vitesse et

    rciproquement.

    Pour lcoulement conservatif dun fluide incompressible en rgime permanent, on adaprs lquation de continuit :

    0=

    vdiv

    0=

    graddiv 0=

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    Fonction de courant

    Soit un coulement dans le plan (o, x, y) son champ de vitesse est :

    Fluide incompressible 0=

    vdiv

    ),,(

    ),,(

    2

    1

    tyxv

    tyxvv

    Sur une ligne de courant nous pouvons crire :

    ( ) dxvdyvtyxd21

    ,, =

    dxvdyv 21

    y

    v

    x

    v

    y

    v

    x

    v

    ==+2121

    0

    :sappelle fonction de courant

    Si on connait(x, y, t) alors on dduit :

    x

    vet

    y

    v

    =

    = 21

    t fixe :

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    Chapitre 3: Dynamique des fluidesarfaits

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    I. Introduction

    Dans ce chapitre, nous allons tudier les fluides en mouvement. Contrairement aux

    solides, les lments dun fluide en mouvement peuvent se dplacer des vitesses

    diffrentes. Lcoulement des fluides est un phnomne complexe. On sintresse aux

    quations fondamentales qui rgissent la dynamique des fluides incompressibles

    parfaits, en particulier :

    lquation de continuit (conservation de la masse),

    le thorme de Bernoulli (conservation de lnergie) et,

    le thorme dEuler (conservation de la quantit de mouvement) partir duquel on

    tablit les quations donnant la force dynamique exerce par les fluides en

    mouvement (exemple les jets deau).

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    II. Ecoulement permanent

    Lcoulement dun fluide est dit permanent si le champ des vecteurs vitesses des

    particules fluides est constant dans le temps. Notons cependant que cela ne veut pas

    dire que le champ des vecteurs vitesses est uniforme dans lespace.

    III. Principe de conservation de la masse

    Lexpression du principe de conservation de la masse se traduit par lgalit de la

    1

    par S2 pendant cette mme dure, c--d :

    Nous assimilerons les volumes entrant et sortant des cylindres. Soit la masse

    volumique du fluide lentre et la masse du fluide la sortie.

    Dans le cas dun fluide incompressible

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    Lexpression gnrale du principe de conservation de la masse est :

    Dbit massique

    On appelle dbit massique Qm la quantit reprsente la masse defluide traversant la section S1 par unit de temps (kg/s).

    vo um que

    Pour un fluide incompressible en coulement permanent le principe devient :

    On appelle dbit volumique Qv

    le volume de fluide traversant une section S1

    par

    unit de temps soit : (m3/s)

    Pour les fluides incompressibles, lquation de continuit scrit :

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    IV. Equation gnrale du mouvement

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    IV. Equation gnrale du mouvement

    Supposons un liquide parfait (pas de viscosit) incompressible dont la pression en

    diffrents point est constante dans toutes les directions, lquation fondamentale de ladynamique des fluides scrit :

    += Fpgraddt

    vd

    +

    =

    +

    +

    +

    xF

    x

    p

    z

    uw

    y

    uv

    x

    uu

    t

    u

    Equation dEuler

    +

    =

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    z

    y

    F

    z

    p

    z

    ww

    y

    wv

    x

    wu

    t

    w

    Fy

    p

    z

    vw

    y

    vv

    x

    vu

    t

    v

    V. Thorme de Bernoulli

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    V. o e de e ou

    Considrons un fluide incompressible. Lquation dEuler scrit :

    Lorsque drive dun potentiel, on peut crire :

    Lquation dEuler devient alors :

    += Fpgraddt

    vd

    F

    = gardUF

    Le long dune ligne de courant, confondue avec trajectoire, un dplacement entraneune variation dnergie :

    ( )Upgraddt

    vd +=

    ( )

    +== dlUpgraddldt

    vddE .

    On intgrant cette relation le long de la ligne de courant on obtient lexpression

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    cteUvp =++ 2

    2

    1

    g g g p

    gnrale de la relation de Bernoulli :

    Lorsque les forces de volume se limitent en une force de pesanteur :

    On obtient la forme usuelle de lquation de Bernoulli :

    ctegzU +=

    : densit dnergie cintique associe au mouvement globale du fluide

    p : densit de pression due aux forces internes du fluide en mouvement,

    : densit dnergie potentielle associe la position dans le champ

    gravitationnel

    ctegzvp =++ 221

    2

    2

    1

    v

    gz

    Diffrentes formes dnergie dans les units les plus utilises :

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    Diffrentes formes d nergie dans les units les plus utilises :

    )(:1

    )/(:

    2

    1

    )/(:21

    2

    2

    32

    mhauteurctezvp

    kgJenrgiectegzvp

    mJPapressionctegzvp

    =++

    =++

    ==++

    V.1 Thorme de Bernoulli gnralis

    Lors d'un coulement d'un fluide rel entre les points (1) et (2) il peut y avoir des

    changes d'nergie entre ce fluide et le milieu extrieur :

    par travail travers une machine, pompe ou turbine ; la puissance change tant

    P.

    par dues aux frottements du fluide sur les parois ou les accidents

    de parcours ; la diffrence de pression tant Pf

    Lquation de BERNOULLI scrit dans ce cas :

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    47/78

    Applications :

    Vidange dun rservoir - Thorme de Torricelli

    fpgzvpEgzvp +++=+++ 22

    221

    2

    112

    1

    2

    1

    On considre une cuve remplie d'un liquide parfait et

    incompressible, dans laquelle a t perc un trou de

    pe e a e une au eur en essous e a sur ace

    libre du liquide.On note A un point choisi au hasard sur la surface libre

    du liquide et un point pris au niveau du jet libre gnr

    par le trou.

    Montrez que Relation de TorricellighvB 2=

    Tube de Venturi

    Un conduit de section principale SA subit un tranglement en B o sa section est

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    48/78

    p p A g

    SB. La vitesse dun fluide augmente dans ltranglement, donc sa pression y

    diminue : vB > vA

    pB < pA

    Montrez que :

    22

    22

    11

    2

    1vv

    AB

    BA kqqSS

    pp =

    =

    VI. Lois dnergie dans lcoulement dun fluide parfait

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    49/78

    VI.1. Thorme dEulerDe manire gnrale, la forme intgrale des quations dEuler est :

    Pour un coulement permanent, lquation dEuler devient:

    =

    +

    extFdsvnvdvv

    t.

    ( ) = entresortiemext UUQFrrr

    .

    Exemple 1:Dterminer la force exerce par le fluide sur la canalisation.

    Les sections (1) et (2) de la canalisation sont caractrises par les aires S1et S2, les

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    50/78

    xuvv

    = 11pressions p1 et p2 et les vitesses : et

    +=

    yx uuvv sincos22

    22,Sp

    xu

    2

    v

    1

    v11,Sp

    Exemple 2:

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    51/78

    Un jet deau horizontal qui frappe un obstacle un dbit massique Qm.

    Lobstacle provoque une dflexion du jet dun angle.

    - Trouver lexpression de la force rsultante totale F exerce par le

    liquide sur lobstacle.

    - Exprimer en fonction de .

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    52/78

    Chapitre 4: Pertes de charge

    I. Introduction

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    53/78

    On raison de la viscosit des fluides rels, de la rugosit des parois intrieures des

    conduites et des accidents de parcours inhrent un trac fluidique, lcoulement

    dun fluide rel fait apparatre une dgradation de lnergie interne du fluide, que lon

    appelle : pertes de charge.

    Une chute de pression est le rsultat dune somme de rsistances opposes aupassage du fluide par la tuyauterie (pertes par frottement) et des accidents de

    parcours.

    Les pertes de pression, ou perte de charges, seront fonction:

    de la longueur de la conduite des ventuels accidents de parcours

    du diamtre de la conduite

    de la vitesse du fluide

    de la rugosit de la tuyauterie

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    54/78

    R it C t t i t d d i lt t d

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    55/78

    conduite

    asprit

    Rugosit : Cest un paramtre qui permet de dcrire ltat de

    surface des parois interne dune conduite.

    est le diamtre intrieur de la conduite

    est la rugosit absolue de la conduite

    Dr =La rugosit relative est :

    Limite intrieurede la conduite

    Ecoulement laminaire et turbulent

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    56/78

    Ecoulement laminaire et turbulent

    - Si la vitesse d'coulement n'est pas trop leve, les diffrents filetsde courant restent indpendants : on parle d'coulement laminaire.

    - Lorsque la vitesse devient importante, les filets de courantdeviennent instables et se mlangent. L'coulement devient turbulent.

    Il apparat des tourbillons.

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    57/78

    II. Pertes de charge rparties

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    58/78

    Lexprience montre que la perte de charge rpartie dans une canalisation est:

    - Proportionnelle la longueur L

    - Inversement proportionnelle au diamtre intrieure Di

    - Proportionnelle au carr de la vitesse dcoulement

    Avec:

    )(2

    2

    PaenV

    D

    LP

    i

    r =

    -: Facteur de perte de charge rpartie sans dimension

    - L: Longueur de la conduite m - Di: Diamtre de la canalisation m

    - V: Vitesse du fluide m/s

    -: Masse volumique du fluide kg/m3

    II.1. Perte de charge linique :Elle dfinit la perte de charge rpartie par mtre de conduite. Elle est trs souvent

    Utilise dans des abaques, valables uniquement pour des conduites, ou tableaux de

    valeur

    2

    1 2V

    DPj ir ==

    II.2. Facteur de perte de charge rpartie

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    59/78

    Il est aussi appel facteur de frottement . Il dpend:

    - Du rgime dcoulement: Re

    - De la rugosit absolue de la conduite:

    - Du diamtre de la canalisation: Di

    La recherche de ce facteur peut se raliser soit en utilisant des relations empiriques ou enexploitant un diagramme appel diagramme de MOODY

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    60/78

    0,01D

    = = 0,042

    Re = 20 000

    Coefficient de perte de charge linaire

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    61/78

    Rgime laminaire:

    Re

    64=

    -

    Exprimer le dbit volumique en fonction de

    le diamtre de la conduite et la viscosit

    dynamique .

    p

    Rgime turbulent : Conduite lisse

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    62/78

    25,0Re316,0 =

    (Formule de Blasius)

    +=

    D71,3Re51,2log21

    (Formule de Colebrook)

    II.3. Facteur de perte de charge Singulire

    Les pertes de charge singulires sont dus la prsence des obstacles :

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    63/78

    Les pertes de charge singulires sont dus la prsence des obstacles :

    - Changement de section: largissement/rtrcissement

    - Changement de direction: courbes/coudes

    - Branchements: Ts de sparation et de runion

    - Organes de robinetterie: robinets/clapets/filtres

    2.

    2

    UPS=

    gUPS2

    .

    2

    =

    .

    C l i

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    64/78

    Conclusions

    Pour diminuer l'ensemble des pertes de charge dans une canalisation, afin dediminuer les cots de fonctionnement dus aux pompes, il faut:

    diminuer la longueur de canalisation

    diminuer le nombre d'accidents sur la canalisation

    diminuer le dbit de circulation

    augmenter le diamtre des canalisations

    faire circuler des liquides le moins visqueux possible

    utiliser des matriaux de faible rugosit

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    65/78

    I. Introduction

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    66/78

    Dans ce chapitre , nous allons aborder le problme de la dynamique des fluides

    visqueux incompressible newtoniens. Les forces de frottement visqueuses, qui sont

    dues aux interactions entre les molcules, seront prises en considration dans les

    quations de la dynamique (quations dEuler).

    Considrons lcoulement dun fluide visqueux au voisinage dune paroi. Sous leffet

    des forces dinteraction entre les molcules de fluide et des forces dinteraction entre

    les molcule de fluide et celle de la paroi, chaque molcule de fluide ne scoule

    librement.

    z

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    67/78

    z

    x

    vmax

    v = 0

    z+dz

    z

    v+dv

    Pour z =0 les particules fluide en contact avec la paroi ont une vitesse nulle.

    La contrainte (force par unit de surface), pour tout point M de la

    paroi possde, entre autres, une composante tangentielle dans le sens de

    lcoulement: le fluide tire la paroi.

    Cette contrainte tangentielle est proportionnelle au gradient de vitesse travers la

    paroi:

    paroifluideT

    x

    z

    paroifluide e

    dz

    dvT

    =

    = .0

    Le coefficient de proportionnalit ne dpond que du fluide.

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    68/78

    La force correspondante scrit :

    x

    z

    paroifluideparoifluide edz

    dvSTSF

    =

    == .0

    I.2. Notion de la viscosit dynamique [M.L-1.T-1]

    - La viscosit dynamique dun fluide caractrise son aptitude scouler.

    - La viscosit dynamique peut tre dfini comme tant la rsistance lcoulement.

    - La viscosit dynamique sexprime en pascal seconde (Pa.s)

    - Un fluide est considr comme parfait si lon peut ngliger sa viscosit.

    - Dans nombreuses formules apparait le rapport de la viscosit dynamique et

    de la masse volumique.

    Ce rapport est appel viscosit cinmatique [L2.T-1]

    ( 2 1)

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    69/78

    = (m2.s-1)

    I.3. Gnralisation un coulement quelconque

    On cherchera la relation gnrale entre et le mouvement du fluide , en

    tenant compte de la pression statique qui reprsente la contrainte normale, oncrit dans le cas gnral:

    ij

    )()( MMP ijijij +=

    Comme est symtrique,

    On peut le gnraliser de la manire suivante, en tenant compte du caractre

    symtrique du tenseur:

    =

    ==

    jisi

    jisi

    ij

    ij

    0

    1

    jiij =

    =

    y

    V112

    ij

    jiij D

    VV 2=

    +

    =

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    70/78

    ij

    ij

    ij

    xx

    +

    =

    i

    j

    j

    iij

    x

    V

    x

    VD

    2

    1

    Le tenseur des contrainte en un point M scrit donc sous la forme:

    est appel tenseur des taux de dformationD

    Tous les fluides obissent cette loi de comportement sont les fluide

    newtoniens

    )(2)( DIP +=

    I.4. Equations de la dynamique des fluides newtoniens incompressible:

    Equations de Navier-Stokes

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    71/78

    Considrons un lment de volume V dlimit par une surface ferme S dans

    un domaine fluide. Le principe fondamentale de la dynamique scrit:

    dvgdsTdvdt

    vd

    +=

    dvgdsndvdt

    vd

    +=

    ( ) dvgdvdivdvdtvd

    +=

    i

    j

    iji g

    xdt

    dV +

    =

    En utilisant la relation et en projetant sur les trois

    axes, on obtient:)(2)( MDIMP +=

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    72/78

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    +

    =

    yyzyyyx

    xxzxyxx

    gzyxy

    Pdtdv

    gzyxx

    P

    dt

    du

    +

    ++

    +

    = zzzzyzx

    gzyxz

    P

    dt

    dw

    Si nous raisonnons par exemple sur la premire quation, on a:

    xgz

    w

    y

    v

    x

    u

    xz

    u

    y

    u

    x

    u

    x

    P

    dt

    du +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    =

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    Les quations de Navier-Stokes scrivent:

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    73/78

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    y

    x

    gz

    v

    y

    v

    x

    v

    y

    P

    z

    vwy

    vvx

    vut

    v

    gz

    uy

    ux

    uxP

    zuw

    yuv

    xuu

    tu

    222

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    zg

    zyxzzw

    yv

    xu

    t

    222

    +

    0=

    +

    +

    =

    z

    w

    y

    v

    x

    uVdiv

    Exemples dapplications

    1- Ecoulement unidirectionnel:

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    74/78

    Ce sont des coulement o le champs de vitesse possde une direction fixe. On prendra

    H othses :

    1Ox

    =

    00

    ),,,( 3211 txxxv

    V

    V

    x

    x3

    Ecoulement stationnaire et incompressible

    les forces de masse sont ngligeables Fluide Newtonien

    =

    0

    0

    ),( 321 xxv

    V

    03

    3

    2

    2

    1

    1 =

    +

    +

    =

    x

    v

    x

    v

    x

    vVdiv

    12

    3

    1

    2

    2

    2

    1

    2

    2

    1

    1

    2

    13

    13

    2

    12

    1

    11

    1xg

    x

    v

    x

    v

    x

    v

    x

    P

    x

    vv

    x

    vv

    x

    vv

    t

    v +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    75/78

    3211321 xxxxxxxt

    22

    3

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    1

    2

    2

    23

    23

    2

    22

    1

    21

    2xg

    x

    v

    x

    v

    x

    v

    x

    P

    x

    vv

    x

    vv

    x

    vv

    t

    v +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    222

    32

    3

    3

    2

    2

    3

    2

    1

    3

    33

    33

    2

    32

    1

    31

    3xg

    xxxxx

    v

    x

    v

    x

    v

    t

    +

    +

    +

    +

    =

    +

    +

    +

    On obtient:

    +

    +

    =

    2

    3

    2

    1

    2

    2

    2

    1

    1

    0x

    v

    x

    v

    x

    P

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    76/78

    1-1 Ecoulement de Poiseuille: Ecoulement dans un cylindre

    =

    =

    3

    2

    0

    0

    x

    P

    x

    P

    )( 1xPP =

    z

    r

    Hypothses : Ecoulement unidirectionnel, stationnaire et incompressible les forces de masse sont ngligeables Fluide Newtonien

    Symtrie //

    =

    ),,,(

    ),,,(

    ,,,

    tzrv

    tzrv

    tzrv

    V

    z

    r

    Le champs de vitesse devient:

    =

    0

    0

    V

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    77/78

    ),(

    0

    zrv

    V

    z

    ( )0

    11=

    +

    +

    =

    z

    vv

    rr

    rv

    rVdiv zr

    = zrvV z )(

    Les quations de Navier-Stokes scrivent en coordonnes cylindriques:

    +

    =

    =

    =

    zvz

    P

    P

    r

    r

    P

    0

    10

    0

    2

    2

    2

    2

    2

    11

    z

    vv

    rr

    vr

    rrv zzzz

    +

    +

    =

    Avec:

    =

    r

    P0

    )( zPP =

  • 8/9/2019 Cours Mecanique Des Fluides_2014_1015

    78/78

    +

    =

    =

    r

    vr

    rrz

    P

    Pr

    z10

    10

    )( zPP

    =

    K

    P

    =

    K

    rvr

    rr

    z

    z1 BrArKrv z ++= )ln(4

    )( 2

    0:)(,0 = Arvr z

    2

    4:0)(, RKBRrvRr z

    ===

    ( )224

    )( RrK

    rv z =

    C.L :