Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. Les liquides et les gaz sont des fluides.
1.1. Notion de particule de fluide
À l’échelle microscopique, les particules qui composent un fluide sont animées de mouvements erratiques1.
Il y a deux façons de définir un système mésoscopique :
On peut définir un volume mésoscopique immobile, comme on l’a fait dans le chapitre diffusion de particules. Un tel volume peut contenir un nombre de particules variable au cours du temps.
On peut définir un volume mésoscopique qui contient toujours le même nombre de particules (en moyenne) et qui se déplace avec le fluide2. Ce système est appelé particule de fluide. Une particule de fluide est un système fermé.
La masse d’une particule de fluide est donc constante.
1.2. Description eulérienne et champ de vitesse
La description eulérienne consiste à décrire le champ de vitesse, c’est-à-dire la vitesse du fluide à chaque endroit de l’espace :
La vitesse en un même point et à des instants différents et est la vitesse de particules de fluide différentes.
1.3. Tube de courant
Une ligne de courant est une courbe en tout point tangente au vecteur vitesse et orientée dans le même sens.
Schéma 1 – Ligne de courant
En régime stationnaire, les lignes de courant sont immobiles : elles coïncident alors avec les trajectoires des particules de fluide.
Attention : de manière générale, les lignes de courant ne sont pas forcément les trajectoires des particules de fluide.
1.4. Dérivée particulaire
Point clé 1 – Dérivée particulaire ♥︎✍
avec le terme local ; le terme convectif ; le champ de vitesse du fluide ().
1.5. Débit massique
Point clé 2 – Masses volumiques à connaitre ♥︎
Hypothèse : Dans les conditions normales de température et de pression.
avec la masse volumique ().
Point clé 3 – Vecteur densité de courant de masse ♥︎✍
avec le vecteur densité de courant de masse () ; le champ de vitesse du fluide () ; la masse volumique ().
Point clé 4 – Débit massique ♥︎✍
avec le débit massique () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Application 1 ✍
Le débit maximal de l’Odet a été mesuré le 13 décembre 2000. La vitesse (supposée uniforme) valait . Sa largeur est de et sa profondeur . Déterminer le débit massique.
1.6. Débit volumique
Point clé 5 – Vecteur densité de courant de volume ♥︎✍
avec le vecteur densité de courant de volume () ; le champ de vitesse du fluide ().
Point clé 6 – Débit volumique ♥︎✍
avec le débit volumique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Application 2 ✍
Le débit maximal de l’Odet a été mesuré le 13 décembre 2000. La vitesse (supposée uniforme) valait . Sa largeur est de et sa profondeur . Déterminer le débit volumique.
1.7. Conservation de la masse
La masse est une grandeur physique conservative.
Point clé 7 – Équation locale de conservation de la masse ♥︎✍
avec la masse volumique ().
Point clé 8 – Conservation du débit massique ♥︎✍
Hypothèse : Le régime est stationnaire.
Le débit massique est le même sur chaque section d’un tube de courant.
avec le débit massique () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide ().
1.8. Écoulement incompressible et homogène
Le volume n’est pas nécessairement une grandeur conservative.
Exemple 1
Si on compresse une seringue contenant un gaz, son volume diminue.
Dans un écoulement incompressible, le volume des particules de fluide ne change pas au cours du temps.
Dans un écoulement homogène, toutes les particules de fluide ont la même masse volumique.
Dans un écoulement incompressible et homogène, la masse volumique est uniforme3 et stationnaire4.
Point clé 9 – Conservation du volume ♥︎
Hypothèses :
L’écoulement est incompressible.
L’écoulement est homogène.
Le volume se conserve.
Point clé 10 – Conservation du débit volumique ♥︎✍
Hypothèses :
L’écoulement est incompressible.
L’écoulement est homogène.
Le débit volumique est le même sur chaque section d’un tube de courant.
2. Actions de contact sur un fluide
2.1. Action normale et tangentielle
Les forces de contact s’exerçant sur la surface d’une particule de fluide sont proportionnelles à sa surface. Elles peuvent se décomposer en
une composante orthogonale à la surface (normale) appelée force de pression
une composante tangentielle à la surface appelée force de viscosité
2.2. Forces de pression
Point clé 11 – Forces de pression ♥︎
avec la force de pression s’exerçant sur une surface élémentaire () ; la pression ().
Point clé 12 – Résultante volumique des forces de pression ♥︎✍
avec la force de pression s’exerçant sur un volume élémentaire () ; la pression ().
Point clé 13 – Relation fondamentale de l’hydrostatique ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est au repos.
Les seules forces sont les forces de pression et le poids.
avec la pression () ; la masse volumique () ; l’accélération de la pesanteur ().
Application 3 ✍
Déterminer le champ de pression dans l’océan en le supposant homogène, incompressible et au repos.
Application 4 ✍
Déterminer le champ de pression dans l’atmosphère en la supposant immobile et isotherme et en assimilant l’air à un gaz parfait.
2.3. Forces tangentielles
La force tangentielle est due à la viscosité du fluide.
Schéma 2 – Forces de viscosité sur une surface élémentaire
Point clé 14 – Forces de viscosité
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
Le champ de vitesse est .
La surface sur laquelle s’exerce la force est orientée selon .
avec la force de viscosité s’exerçant sur une surface élémentaire () ; la viscosité dynamique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Cette formule doit être adaptée en fonction des axes du problème.
Application 5 ✍
Vérifier l’homogénéité de cette relation.
Point clé 15 – Viscosité de l’eau ♥︎
Hypothèse : À
avec la viscosité dynamique ().
Point clé 16 – Résultante volumique des forces de viscosité ♥︎✍
Hypothèse : Le fluide est newtonien.
avec la résultante de viscosité s’exerçant sur un volume élémentaire () ; la viscosité dynamique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Comme la force ne peut pas diverger, le champ de vitesse est dérivable donc continu.
En particulier, la vitesse d’un fluide au voisinage immédiat d’un solide est la vitesse du solide. Cette condition est appelée condition d’adhérence fluide-solide.
Application 6 ✍
Appliquer la loi de la quantité de mouvement sur une particule de fluide soumise aux forces de pression, de viscosité (fluide newtonien) et au poids. Cette équation (simplifiée par ) est appelée équation de Navier-Stokes.
Application 7 ✍
Écoulement de Couette-plan : un fluide est en écoulement stationnaire entre deux plaques parallèles, l’une immobile (en ) et l’autre animée d’une vitesse (en ). On néglige les effets de la gravité et on suppose la pression uniforme. Déterminer le champ de vitesse dans le fluide. On supposera que la vitesse ne dépend que de et qu’elle est selon : .
3. Écoulement interne incompressible et homogène dans une conduite cylindrique
On s’intéresse à un écoulement à l’intérieur d’une conduite cylindrique.
Exemple 2
Eau dans le réseau d’eau potable.
3.1. Vitesse débitante
La vitesse débitante est la vitesse qu’aurait le fluide si le champ de vitesse était uniforme tout en conservant le même débit volumique.
Point clé 17 – Vitesse débitante ♥︎
avec la vitesse débitante () ; le débit volumique () ; la section de la conduite ().
La vitesse débitante peut être vue comme la moyenne de la vitesse sur une section de la conduite :
Reynolds a mis en évidence expérimentalement deux régimes d’écoulement.
Schéma 3 – Expérience de Reynolds
En fonction du débit, on peut observer
le régime laminaire
dans lequel les lignes de courant sont stationnaires, pour des vitesses débitantes faibles
le régime turbulent
dans lequel les lignes de courant se déforment, pour des vitesses débitantes importantes.
Les deux régimes d’écoulement diffèrent par le mode de transport de quantité de mouvement prépondérant.
3.3. Transport de quantité de mouvement par diffusion
Dans le régime laminaire, la quantité de mouvement est essentiellement transportée par diffusion.
Point clé 18 – Vecteur densité de courant de quantité de mouvement diffusé ✍
Hypothèse : Le fluide est newtonien.
avec le vecteur densité de courant de quantité de mouvement diffusée () ; la viscosité cinématique () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Point clé 19 – Temps caractéristique de diffusion de quantité de mouvement ♥︎✍
avec la durée caractéristique associée à la diffusion () ; une longueur caractéristique du problème () ; la viscosité cinématique ().
3.4. Transport de quantité de mouvement par convection
Dans le régime turbulent, la quantité de mouvement est essentiellement transportée par convection.
Point clé 20 – Vecteur densité de courant de quantité de mouvement ✍
avec le vecteur densité de courant de quantité de mouvement convectée () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide ().
Point clé 21 – Temps caractéristique de convection de quantité de mouvement ♥︎✍
avec la durée caractéristique associée à la convection () ; une longueur caractéristique du problème () ; un ordre de grandeur de la vitesse de l’écoulement ().
3.5. Nombre de Reynolds
Le nombre de Reynolds est une grandeur adimensionnée qui sert à comparer l’importance relative du transport de quantité de mouvement par convection et par diffusion.
Point clé 22 – Nombre de Reynolds ♥︎
Hypothèse : Le fluide est newtonien.
avec le nombre de Reynolds (sans unité) ; une longueur caractéristique du problème () ; un ordre de grandeur de la vitesse de l’écoulement () ; la viscosité cinématique ().
Dans le cas d’un écoulement interne, désigne le diamètre de la conduite.
Pour un écoulement interne, l’ordre de grandeur de la vitesse est la vitesse débitante.
Application 8 ✍
De l’eau à circule dans une conduite de diamètre et de longueur à la vitesse débitante de . Calculer le nombre de Reynolds.
Point clé 23 – Diffusion vs convection ✍
Hypothèse : Le fluide est newtonien.
avec le nombre de Reynolds (sans unité) ; la durée caractéristique associée à la diffusion () ; la durée caractéristique associée à la convection ().
Expérimentalement, on peut établir le seuil de passage d’un régime laminaire à un régime turbulent.
Point clé 24 – Seuil de turbulence ♥︎
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
L’écoulement est interne à une conduite.
Si l’écoulement est laminaire
Si l’écoulement est turbulent
avec le nombre de Reynolds (sans unité).
Application 9 ✍
De l’eau à circule dans une conduite de diamètre et de longueur à la vitesse débitante de . L’écoulement est-il laminaire ou turbulent ?
3.6. Chute de pression dans une conduite horizontale à faible nombre de Reynolds
Dans un écoulement interne laminaire, la chute de pression entre les deux extrémités d’une conduite cylindrique est donnée par la loi de Hagen–Poiseuille.
Point clé 25 – Loi de Hagen–Poiseuille ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
La conduite est horizontale.
L’effet de la gravité est négligé.
L’écoulement est laminaire.
Le régime est stationnaire.
Le champ de pression ne dépend que de .
Les effets de bord sont négligés.
avec le débit volumique () ; le rayon de la conduite () ; la viscosité dynamique () ; la longueur de la conduite () ; la différence de pression entre les extrémités de la conduite ().
Par analogie avec l’électrocinétique, on peut définir la résistance hydraulique.
Point clé 26 – Résistance hydraulique ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
La conduite est horizontale.
L’effet de la gravité est négligé.
L’écoulement est laminaire.
avec
avec la différence de pression entre les extrémités de la conduite () ; la résistance hydraulique () ; le débit volumique () ; la viscosité dynamique () ; la longueur de la conduite () ; le rayon de la conduite ().
Application 10 ✍
De l’eau à circule dans une conduite de diamètre et de longueur à la vitesse débitante de . Quelle est la chute de pression entre les deux extrémités de la conduite ?
3.7. Chute de pression pour un écoulement quelconque
Lorsque l’écoulement n’est pas laminaire, la loi de Hagen–Poiseuille n’est plus vraie. Il est alors nécessaire de s’en remettre aux données expérimentales qui sont résumées sur un diagramme appelé diagramme de Moody.
Application 11 ✍
De l’eau à circule dans une conduite en fonte de diamètre et de longueur à la vitesse débitante de . Quelle est la chute de pression entre les deux extrémités de la conduite ?
4. Écoulement externe incompressible et homogène autour d’un obstacle
4.1. Force et coefficient de trainée
Lorsqu’un objet est en mouvement rectiligne uniforme dans un fluide, il subit des forces de pression et de viscosité. La résultante de ces forces, excepté la poussée d’Archimède, dans la direction du mouvement est appelée trainée.
Le maitre-couple (ou surface apparente) est la surface projetée dans une certaine direction.
Schéma 4 – Maitre-couple
Application 12 ✍
Calculer le maitre-couple dans la direction du mouvement pour la voiture ci-dessous. On pourra approximer la voiture à un parallélépipède rectangle pour faire les calculs.
Point clé 27 – Force de trainée ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
L’écoulement est stationnaire.
L’objet est en mouvement rectiligne uniforme.
avec la force de trainée () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide () ; le maitre-couple selon () ; le coefficient de trainée (sans unité) ; le vecteur unitaire colinéaire à la vitesse (sans unité).
Le coefficient de trainée dépend de la forme de l’objet et du nombre de Reynolds.
4.2. Cas d’une sphère
Le coefficient de trainée de la sphère est tracé ci-dessus en fonction du nombre de Reynolds. On peut y voir plusieurs parties.
4.2.1. Faible Reynolds
Pour , le graphe s’approche d’une droite (en échelle logarithmique) d’équation .
Point clé 28 – Force de trainée linéaire ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
.
avec la force de trainée () ; le coefficient de frottement () ; le champ de vitesse du fluide ().
4.2.2. Haut Reynolds
Pour , est constant.
Point clé 29 – Force de trainée quadratique ♥︎✍
Hypothèses :
Le fluide est newtonien.
.
avec la force de trainée () ; le coefficient de frottement () ; le champ de vitesse du fluide () ; le vecteur unitaire colinéaire à la vitesse (sans unité).
4.3. Forces de trainée et de portance sur une aile d’avion
Sur certains objets, la force de trainée s’accompagne d’une force de portance.
Point clé 30 – Force de portance ♥︎
avec la force de portance () ; la masse volumique () ; le champ de vitesse du fluide () ; le maitre-couple selon () ; le coefficient de portance (sans unité) ; le vecteur unitaire orthogonal à la vitesse (sans unité).
Exemple 3
Aile d’avion, voile de bateau.
La force de trainée est colinéaire à la vitesse de l’objet. La force de portance est orthogonale à la vitesse de l’objet.
Schéma 5 – Trainée, portance et angle d’incidence
La trainée et la portance dépendent de l’angle d’incidence. Les courbes ci-dessous présentent un exemple de dépendance pour une aile d’avion.
4.4. Couche limite
Dans un écoulement à haut nombre de Reynolds, où le transport de quantité de mouvement se fait essentiellement par convection, la viscosité du fluide a une influence sur la force subie par un objet. Pour expliquer cet apparent paradoxe, on introduit la couche limite.
Il existe en effet, même à haut nombre de Reynolds, des zones où le transport de quantité de mouvement se fait essentiellement par diffusion : ce sont les couches limites, de faible épaisseur et situées à proximité immédiate des objets.
Schéma 6 – Couche limite
1Erratique signifie aléatoire, qui vont dans tous les sens.
2Plus précisément, dont la vitesse est la vitesse moyenne des particules qui la composent.
3Uniforme signifie qui ne dépend pas de la position : c’est le même partout.
4Stationnaire signifie qui ne dépend pas du temps : c’est le même tout le temps.