UNIVERSITÉE KASDI MERBAH OUARGLA FACULTE DES SCIENCES APPLIQUÉES Département de Génie des Procédés Phénomènes de transferts Travaux pratiques de mécanique des fluides CHAOUCH Noura et SAIFI Nadia 2013 / 2014 Chapitre I : Propriétés des liquides TP N°1 : Mesure de la masse volumique et de la densité des liquides TP N°2 : Mesure de la viscosité des liquides Chapitre II : Statique des liquides TP N°3 : Mesure de la pression des liquides et calibrage d’un manomètre TP N°4 : Mesure de force hydrostatique et détermination du centre de poussée Chapitre III : Dynamique des liquides TP N°5 : Mesure de débit des liquides Un fluide est défini comme étant un milieu continu susceptible de s’écouler, de se comprimer et n’offre aucune résistance au changement de forme. Les appareils et les modes opératoires qui seront présentés dans cette brochure visent : L’’étude de quelques propriétés des liquides ; L’étude de la statique des liquides ; L’étude de la dynamique des liquides. Ce travail est la version actualisée d’une brochure de travaux pratiques réalisée par nous - même et déposée en 2009 au niveau du département de Génie des procédés. 1 Chapitre I Propriétés des liquides N.CHAOUCH et N.SAIFI TP N°01 2013 / 2014 Pratiquer le génieDE chimie MESURE LA MASSE VOLUMIQUE ET DE LA DENSITÉ DES LIQUIDES 1-But du TP Mesurer la masse volumique et la densité de quelques liquides par deux méthodes différentes à savoir, la méthode gravimétrique et la méthode du tube manométrique. 2-Notions théoriques 2.1-Masse volumique ρ : représente la masse d’une unité de volume d’un liquide donné. Elle s’exprime en Kg/m3 dans le système d’unité international (S.I). ρ = m/v …………………………..(1) 2.2-Densité d : la densité d’un liquide est définie comme étant le rapport entre sa masse volumique et la masse volumique de l’eau a 4°C. d = ρ /1000 …………………………..(2) 3-Mode opératoire Nous proposons pour la mesure de ces deux grandeurs deux méthodes distinctes : 3.1-La méthode gravimétrique : consiste à peser la masse d’un volume précis d’un liquide. En employant l’équation (1) et l’équation (2), on peut déterminer respectivement sa masse volumique et sa densité. 3.2-La méthode du tube manométrique : consiste à verser dans l’une des deux branches du manomètre contenant déjà un liquide de masse volumique connue, une quantité du liquide de masse volumique inconnue et a mesurer les dénivellations h0 et h présentées dans la figure N°01 ci-dessous. 2 Chapitre I Propriétés des liquides h0 Figure N°01 : Instrument de mesure de la masse volumique En appliquant le principe des vases communiquant, on peut déterminer la masse volumique du liquide étudié par l’équation suivante : ρ = ρ0h0/h …………………………..(3) La densité du liquide en question sera déterminée de la même manière précédente. 3 Chapitre I Propriétés des liquides RAPPORT DE TP N°01 A Dans quel cas la lecture est correcte ? B 70 40 50 30 30 20 2 …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… 1 3 ……………………………………………………...….. 10 10 Quel est le volume mesuré dans chacun des cas suivants : A :……………………………………..…. B :………………………………………… Complétez le tableau suivant : La méthode gravimétrique V (m3) m (Kg) ρ (Kg m3) La méthode du tube manométrique d h0 (mm) h (mm) ρ (Kg /m3) d eau huile Gaz oïl Commentez vos résultats ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………..... .........................................................................................................................……………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………. Note ……./20 4 Chapitre I Propriétés des liquides N.CHAOUCH et N.SAIFI TP N°02 2013 / 2014 PratiquerMESURE le génieDE chimie LA VISCOSITE DES LIQUIDES 1-But du TP Mesurer la viscosité dynamique et la viscosité cinématique de certains liquides en appliquant la loi de stocks. 2-Notions théoriques La viscosité représente la résistance qu’oppose un liquide au déplacement de l’une de ses couches par rapport aux autres. Elle est représentée par deux coefficients : Une viscosité dite dynamique η qui représente la rigidité d’un liquide à une vitesse de déformation en cisaillement et s’exprime en Pa.s dans le système d’unité internationale (S.I). Une viscosité dite cinématique µ qui représente le temps d’écoulement d’un liquide et s’exprime en m2 /s dans le système d’unité internationale (S.I). Afin de déterminer expérimentalement ces coefficients, on fait tomber une bille métallique de rayon r dans un liquide visqueux. Trois forces principales agissent sur cette bille : Son poids : P m g bille Vbille g ……………………. (4) La poussée d’Archimède : PA = ρ liquide .Vbille . g ……………………. (5) La force de frottement visqueuse donnée par la formule de Stokes : Ff = 6 . . r. η .v ……………………. (6) v = vitesse de chute de la bille Lorsque la bille conserve une vitesse constante, on peut calculer la viscosité dynamique du liquide par la loi suivante : bille fluide Vbille g 6 r v 5 ……………………. (7) Chapitre I Propriétés des liquides Cette loi dite de Stokes est valable pour des grands récipients. Concernant les petits récipients cylindriques de rayon R, la formule précédente s’écrira de la manière suivante : Ou 1 2.1 bille fluide Vbille g 1 ……………………. (8) 6 r v r ……………………. (9) R La viscosité cinématique s’exprime par le rapport suivant : µ = η / ρ ……………………(10). 3-Mode opératoire Cette méthode consiste à faire tomber une bille en acier de rayon r sans vitesse initiale dans un liquide placé dans une éprouvette de rayon R (r << R). Nous supposons que la vitesse de la bille reste constante entre les deux repères A et B précédemment définis. Au moyen d’un chronomètre qui permet de calculer le temps de passage de la bille entre les deux repères et connaissant la distance entre ces deux derniers, Il est possible de calculer la vitesse de la bille et déterminer les cœfficients de viscosité en appliquant respectivement les équations (8) et (10). 6 Chapitre I Propriétés des liquides RAPPORT de TP N°02 Déterminez les paramètres suivants La température du fluide : ………………………………………………… Le rayon de la bille : ………………………………………………………. Le volume de la bille :……………………………………………………… La masse de la bille : ………………………………………………………. La masse volumique de la bille :…………………………………………... La distance AB : .………………………………………………………….. Le rayon intérieur du récipient R: …………………………………………………………………… Complétez le tableau suivant : t(s) v(m/s) η (Pa.s) µ (m2 /s) eau huile Gaz oïl Commentez vos résultats ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………..... ................................................................................................................................................ ………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………. Note ……./20 7 Chapitre II Statique des liquides N.CHAOUCH et N.SAIFI TP N° 3 2013 / 2014 PratiquerMESURE le génie DE chimie LA PRESSION DES LIQUIDES ET CALIBRAGE D’UN MANOMETRE 1-But du TP Le calibrage d’un manomètre par la comparaison de la pression exercée par un liquide sur une surface et celle mesurée au moyen d’un manomètre de type de bourdon. L’évaluation des erreurs absolues et relatives permet de tirer des conclusions sur le fonctionnement du manomètre. 2-Notions théoriques 2.1-Pression et Force Les particules qui forment un liquide sont en perpétuel mouvement ce qui provoque de nombreux chocs entre elles et avec les parois du récipient qui les contient. On dit alors que le liquide exerce une force de pression sur les parois. Cette force de pression est dirigée vers l’extérieur et perpendiculaire à la surface S sur laquelle elle agit. On peut ainsi définir la pression P comme étant la force qui s’exerce sur chaque unité de surface et la représenter par le rapport suivant : P = F/S …………………………….(11) Figure N°02 : Force de pression appliquée sur une paroi Réciproquement, si on connaît la pression du liquide, on peut calculer la force qu’il exerce sur une paroi de la manière suivante : F = P·S ………………………… (12) 8 Chapitre II Statique des liquides 2.3-Pression absolue et pression relative On désigne par pression atmosphérique, la pression de l’air ambiant. Elle est souvent mesurée à l’aide d’un baromètre.Sa valeur fluctue en fonction des conditions météorologiques et de la zone géographique et oscille autour d’une valeur moyenne de 101325 Pa appelée pression atmosphérique et notée Patm. Lorsque la pression d’un liquide est supérieure à la pression atmosphérique on dit que ce liquide est sous pression. Dans le cas contraire, on dit que le liquide est sous vide. Pratiquement, on fait souvent apparaître dans les calculs une pression dite relative P r qui représente la différence entre la pression du liquide P dite pression absolue et la pression atmosphérique et c’est justement la pression que mesurent les manomètres. Pr= P – Patm ………………………… (13) 3-Mode opératoire Afin d’atteindre les objectifs précédemment cités nous appliquons les opérations suivantes : - Placez le cylindre sans piston sur le banc hydrostatique. - Ouvrez les vannes 1 ,2 et 3 qui assurent l’alimentation du cylindre en eau. - Inclinez le cylindre pour éliminer les bulles d’air, ensuite fermer la vanne 3. - Placez le piston dans le cylindre tout en tournant ce dernier pour réduire les effets de frottement. - Notez la lecture de pression figurant sur le manomètre. - Changez les poids tout en tournant le piston et notez la pression correspondante après chaque augmentation de charge. Données techniques : la masse de piston : 498 g et le diamètre de piston : 0,01767 m V2 V1 V3 Figure N°03 : Instrument de mesure de la pression et de calibrage d’un manomètre 9 Chapitre II Statique des liquides RAPPORT de TP N°03 Calculez la surface du piston Surface de piston : ……………………..m2 Complétez le tableau suivant : Masse de la charge (Kg) Poids (N) Pression calculée Pression mesurée (KN/ m2) (KN/ m2) Erreur absolue (KN/ m2) Erreur relative (%) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Commentez vos résultats ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………. Note ……./20 10 Chapitre II Statique des liquides N.CHAOUCH et N.SAI TP N° 04 2013 / 2014 PratiquerMESURE le génie DE chimie LA FORCE HYDROSTATIQUE ET DETERMINATION DU CENTRE DE POUSSÉ 1-But du TP La détermination de la force hydrostatique agissant sur une surface plane immergée dans l'eau et la localisation du centre de poussée. 2-Notions théoriques Afin de montrer l’influence de la surface immergée sur la force hydrostatique et la position du centre de poussée, nous proposons les deux cas suivants : Premier cas : surface partiellement immergée La force hydrostatique F g A h . ………………………(14) d2 F g B 2 ……………………(15) La localisation du centre de poussée revient à déterminer H’ H’ = [IC / (d/2).A] + d/2 ……………………(16) 11 Chapitre II Statique des liquides Deuxième cas : surface entièrement submergée La force hydrostatique F = ρ.g.D.B.( d – D/2)………………………….(17) La localisation du centre de poussée revient à déterminer H’ H’ = [IC / (d – D/2)d/2).A] + (d – D/2)d/2 ……………………(18) 3-Mode opératoire En vue de déterminer la force hydrostatique agissant sur une surface plane plus ou moins immergée, et localiser le centre de poussée, il est impératif de suivre les étapes suivantes : Placez une masse bien déterminée au cintre de poids. Ajoutez l'eau jusqu'à ce que le quart de cercle se rééquilibre a nouveau Relevez les grandeurs nécessaires au calcul demandé Données techniques D = 100 mm et B = 75 mm Figure N°04 : Instrument de mesure de la force hydrostatique 12 Chapitre II Statique des liquides RAPPORT de TP N°04 Complétez le tableau suivant : Surface partiellement immergée H’ (mm) F (N) H’ (mm) Masse (Kg) F (N) Surface totalement immergée Commentez vos résultats ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………. Note ……./20 13 Chapitre III Dynamique des liquides N.CHAOUCH et N.SAIFI TP N° 5 2013 / 2014 Pratiquer le génie chimie MESURE DE DEBIT DES LIQUIDES 1-But du TP Mesurer le débit d’un liquide au moyen d’un tube de Venturi. 2-Rappels théoriques Le tube de Venturi est une conduite dont la section est variable. Dans une première partie les sections vont en décroissant (zone convergente), alors que dans la deuxième partie les sections vont en croissant (zone divergente). Un tube de Venturi est donc un « convergentdivergent ». Le principe de conservation de la masse permet d’écrire : ……………………(19) Ce qui donne, en notant la pression motrice pg = p + ρgz dans l’équation de Bernoulli: ……………………(20) En utilisant à nouveau la conservation du débit, on peut écrire : ……………………(21) Avec h1 et h2 les hauteurs d’eau correspondant à chacune des prises sur le manomètre différentiel, ainsi V2 prend la forme suivante : ……………………(22) 14 Chapitre III Dynamique des liquides On en déduit l’expression théorique du débit : ……………………(23) 3-Mode opératoire Une mesure correcte du débit d’un liquide au moyen d’un tube de venturi consiste à faire circuler le liquide de telle sorte à éviter la présence de bulles d’air pouvant fausser les mesures de pression. Une fois que les hauteurs h1 et h2 sont mesurées, il sera plus facile de déduire la valeur du débit volumique du liquide étudié en appliquant l’équation (23). 15 Chapitre III Dynamique des liquides RAPPORT de TP N°05 Complétez le tableau suivant : H1 (mm) H2 (mm) Qv,th (m3 /s) Commentez vos résultats ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Note ……./20 16 BONNE LECTURE
