La cinématique des fluides I) Description de lécoulement dun fluide 1) Introduction

La cinématique des fluidesI) Description de l’écoulement d’un fluide

1) Introduction

Deux méthodes :

• Soit comme avec les ballons – sonde météorologiques, on suit une particule de fluide dans son déplacement et on étudie sa propre trajectoire.C’est la vision lagrangienne de la mécanique du point

Deux méthodes :

• Soit comme les stations météo fixes, on étudie les caractéristiques du fluide en un point précis au cours du temps.C’est la vision eulérienne des spectres électromagnétiques


1) Introduction

2) Description lagrangienne

a) Définition

Description lagrangienne

O

x

y

z

(R)

P(t0)

R(t0) P(t)R(t)


1) Introduction


a) Définition

b) Trajectoire d’une particule

Trajectoire d’une particule

La trajectoire d’une particule de fluide P est l’ensemble des positions successives prises par la particule fluide supposée ponctuelle au cours du temps.

Trajectoire

O

x

y

z

(R)P(t1)

VP(t1)

P(t2)P(t3)

VP(t2) VP(t3)

Positions de P aux instants t1, t2 et t3


1) Introduction


a) Définition

3) Description eulérienne

Description eulérienne

O

x

y

z

(R)

P

rM

M

Photo à l’instant t :v(M,t) = VP(t) ;T(M,t) = TP(t) ;(M,t) = P(t) ;

A l’instant t, les points M et P coïncident

Description eulérienne

O

x

y

z

(R)

P’

rM

M

Photo à l’instant t’ :v(M,t’) = VP’(t’) VP(t’)

P

A l’instant t’, les points M et P’ coïncident et les points M et P ne coïncident plus.


1) Introduction


a) Définition


b) Lignes de courant

Ligne de courant

Les lignes de courant d’un fluide sont les lignes de champ du champ eulérien des vitesses.

Ligne de courant

O

x

y

z

(R)M1

v(M1,t0)M2

v(M2,t0)M3

v(M3,t0)

Photo à l’instant t0

La cinématique des fluides

a) Ecoulement stationnaire

I) Description de l’écoulement d’un fluide

1) Introduction



4) Écoulements particuliers

Ecoulement stationnaire

Un écoulement est stationnaire si l’ensemble de ses champs eulériens, v(M,t), T(M,t), P(M,t) et (M,t), est indépendant du temps, v(M), T(M), P(M) et (M).

Ces champs n’ont aucune raison d’être uniformes.


b) Ecoulement incompressible

I) Description de l’écoulement d’un fluide

1) Introduction



4) Écoulements particuliers

a) Ecoulement stationnaire

Ecoulement incompressible

On dit qu’un écoulement est incompressible si le volume de toutes les particules de fluide P est conservé au cours du mouvement.

Comme leurs masses se conservent aussi, les particules de fluide conservent également leurs masses volumiques au cours du déplacement.

La cinématique des fluidesII) Dérivée particulaire


1) Définitions

Dérivée particulaire

O

x

y

z

(R)

P

r = R(t)

M Photo à l’instant t :g(M,t) = gP(t)

G(M,t) = GP(t)

A l’instant t, les points M et P coïncident

P


O

x

y

z

(R)

r = R(t)

M

Photo à l’instant t + dt :G(M’,t + dt) = GP(t + dt)g(M’,t + dt) = gP(t + dt)

M’

r + dr = R(t + dt)

L’observateur qui suit la particule P, associe à la variation de g deux origines :

• Si l’écoulement est stationnaire mais non uniforme, l’observateur notera une variation de g.

En effet, entre les instants t et t + dt, P bouge donc il voit, à la date t, g(M) puis, à la date t + dt, g(M’)

g(M’) g(M).

Cette variation est liée au caractère non uniforme du champ eulérien g(M).

• Si l’écoulement n’est pas stationnaire et si la particule P reste en M, il notera une variation de g.

En effet, en M, à la date t, P voit g(M,t) puis, à la date t + dt, P voit g(M,t + dt).

g(M,t + dt) g(M,t).

Cette variation est liée au caractère non stationnaire du champ eulérien g.

L’observateur qui suit la particule P, associe à la variation de g deux origines :


La dérivée particulaire caractérise les variations du champ eulérien scalaire g ou vectoriel G mesurées en suivant la particule de fluide P au cours du temps.

La dérivée particulaire est la dérivée lagrangienne appliquée à un champ scalaire ou vectoriel eulérien.


1) Définitions

2) Expression de la dérivée particulaire d’une grandeur scalaire intensive

La dérivée particulaire se décompose en deux termes :

• (v.grad)g, la dérivée convective de g qui indique un caractère non uniforme de g ;

• , la dérivée locale de g qui indique un caractère non stationnaire de g.Mt

g

Nancy Dijon Lyon Marseille

15 h 24°C 25°C 30°C 34°C

17 h 23°C 24°C 27°C 32°C

19 h 22°C 22°C 24°C 30°C

22 h 19°C 19°C 20°C 24°C

Villes Nancy Dijon Lyon Marseille

Distances 0 210 400 720


1) Définitions


3) Expression de la dérivée particulaire d’une grandeur vectorielle intensive

La dérivée particulaire se décompose en deux termes :

• (v.grad)G, la dérivée convective de G qui indique un caractère non uniforme de G ;

• , la dérivée locale de G qui indique un caractère non stationnaire de G.Mt

G


1) Définitions


3) Expression de la dérivée particulaire d’une grandeur vectorielle intensive

4) Application à la vitesse : l’accélération

• (v.grad)v, l’accélération convective qui indique un caractère non uniforme de la vitesse v ;

• , l’accélération locale qui indique un caractère non stationnaire de la vitesse v.Mt

v

M

D ( . )

Dt tv v

a v grad v

En M, à la date t :

Autoroute

Voie d’a

ccès

Radar 1 :90 km.h–1

Radar 2 :130 km.h–1

Conclusion :

La dérivée particulaire est la dérivée lagrangienne appliquée à un champ scalaire ou vectoriel eulérien.

Définition :

Conclusion :

La dérivée particulaire caractérise les variations du champ eulérien scalaire g ou vectoriel G mesurées en suivant la particule de fluide P au cours du temps.

Interprétation 1 :

Conclusion :

Interprétation 2 :

La dérivée particulaire fait le lien entre les grandeurs eulériennes qui servent à décrire l’écoulement du fluide et les théorèmes mécaniques et thermodynamiques qui ont une écriture lagrangienne

Conclusion :

Expressions :

M

Dg g ( . )g

Dt tv grad

M

D ( . )

Dt tG G

v grad G


5) Significations physiques de rotv et divv ; Décomposition du mouvement

Cube mésoscopique à l’instant t

Ox

y

A

BD


5) Significations physiques de rotv et divv ; Décomposition du mouvementa) Champ de vitesse v1 = – a(y.ux – x.uy)

Champ de vitesse : v1 = – a(y.ux – x.uy)

AA’ = v1(A).dt = a..dt.uy

OA’ = (ux + a.dt.uy).

Le point A quitte l’axe des abscisses.


BB’ = v1(B).dt = – a..dt.ux

OB’ = (– a.dt.ux + uy).

Le point B quitte l’axe des ordonnées.


Ox

y

A

BD

A’

B’

D’

d

a positif


Définition :

On dit qu’un écoulement est non tourbillonnaire ou irrotationnel si le vecteur tourbillon est partout nul, autrement dit si le champ des vitesses du fluide est à rotationnel partout nul.

Définition :

Par opposition, dans un écoulement tourbillonnaire, ou rotationnel, il existe au moins un point du fluide où est non nul :

= 2

1 rotv




b) Champ de vitesse v2 = a.x.ux + b.y.uy

Champ de vitesse : v2 = a.x.ux + b.y.uy

AA’ = v2(A).dt = a..dt.ux

OA’ = (1 + a.dt)ux.

Le point A reste sur l’axe des abscisses.


BB’ = v2(B).dt = b..dt.uy

OB’ = (1 + b.dt)uy.

Le point B reste sur l’axe des ordonnées.


Ox

y

A

BD

A’

B’D’

a positif ; b négatif ; a – b






c) Champ de vitesse v3 = a(y.ux + x.uy)

Champ de vitesse : v3 = a(y.ux + x.uy)

AA’ = v3(A).dt = a..dt.uy

OA’ = (ux + a.dt.uy).

Le point A quitte l’axe des abscisses.


BB’ = v3(B).dt = a..dt.ux

OB’ = (a.dt.ux + uy).

Le point B quitte l’axe des ordonnées.


DD’ = v3(D).dt = a.(ux + uy)dt

OD’ = (1 + a.dt)(ux + uy).

Les points O, D et D’ sont alignés.


Ox

y

A

B D

A’

B’

D’a positif






c) Champ de vitesse v3 = a(y.ux + x.uy)

d) Décomposition du mouvement local d’un fluide

Décomposition du mouvement local d’un fluide

v(M) = v(O) + v1(M) + v2(M)+ v3(M)


• Le champ v(O) décrit une translation uniforme en bloc du fluide ;

• Le champ v1(M) décrit une rotation sans variation de volume du fluide ;

• Le champ v2(M) décrit une déformation avec variation de volume mais sans rotation locale du fluide ;

• Le champ v3(M) décrit une déformation sans variation de volume et sans rotation locale du fluide.


• Le champ vd(M) = v2(M) + v3(M) décrit une déformation du fluide sans rotation locale.

La cinématique des fluidesIII) Conservation de la masse

1) Rappels et définitions

d

+

P

dS

M



a) Débit massique

Définition :

On appelle débit massique Dm d’un fluide à travers une surface () orientée, la masse algébrique de fluide qui traverse (), par unité de temps, dans le sens d’orientation de la surface.

d = v.dS.dt

dS

v

dS

2m = .d = .v.dS.dt

dr = v.dt



a) Débit massique

b) Débit volumique

Définition :

On appelle débit volumique DV d’un fluide à travers une surface () orientée, le volume algébrique de fluide qui traverse (), par unité de temps, dans le sens d’orientation de la surface.



2) Conservation de la masse

Définition :

Une surface de contrôle (0) est une surface matérielle ou non, fermée, indéformable et fixe dans le référentiel d’étude R.

Définition :

On appelle sources et puits respectivement des zones d’un écoulement de fluide où on note des apparitions de masse ou des disparitions de masse


a) Expression intégrale globale

III) Conservation de la masse



M

m = .d

j(M,t)

0

VdS

P

j(P,t)



a) Expression intégrale globale


b) Expression locale

M

m = .d

j(M,t)

0

VdS

P

j(P,t)

La cinématique des fluidesIV) Applications à quelques écoulements

particuliers1) Écoulement stationnaire

Écoulement stationnaire

1

2

dS1 dS2

dS



2) Écoulement incompressible

Ecoulement incompressible

Un écoulement est incompressible si la dérivée particulaire de la masse volumique est nulle en tout point M et à tout instant :

ρD 0

Dt

Écoulement incompressible

1

2

dS2dS1

Dv1 = Dv2

Écoulement incompressible

Dv1 = Dv2

S1

v1

S2 > S1

v2 < v1




3) Écoulement incompressible et irrotationnel





4) Écoulement radial avec une source

Écoulement radial avec une source

O

fil

Dm,

Écoulement radial avec une source

fil

dS1

dS2

dS

M





4) Écoulement radial avec une source

5) Écoulement potentiel avec circulation : vortex

a) Définition


particuliers5) Écoulement potentiel avec circulation : vortex

a) Définition

b) Modèle de la tornade

Modèle de la tornade

Une tornade est un phénomène météorologique défini comme « un coup de vent violent et tourbillonnaire ».

Documents

La cinématique des fluides I) Description de lécoulement dun fluide 1) Introduction