Mécanique des fluides TD6 TSI2015-2016

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Mécanique des fluides
TD6
TSI2015-2016
Exercice 1 : Donne-moi ton flux et ta circulation et je
Décrire précisément le champ des vitesses (direction(s)
te dirai qui tu es !
et invariance(s))
Un expérimentateur a à disposition :
Les
différentes
observations
conduisent
successivement aux résultats suivants :
Un débitmètre
Un « circulomètre »
Il indique le volume de
fluide le traversant (sa
géométrie
étant
une
surface ܵ inscrite dans un
carré)
Il est constitué de 4
petits capillaires ߁ଵ , ߁ଶ , ߁ଷ ,
et ߁ସ . Si de l’eau traverse
un capillaire, c’est que
l’écoulement présente une
direction commune avec
celle du capillaire.
‫ݒ‬௫ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬
‫ݒ‬௫ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬
0
‫ݒ‬Ԧ = ቌ‫ݒ‬௬ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬ቍ = ൭‫ݒ‬௬ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬൱ = ൭‫ݒ‬௬ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬൱
‫ݒ‬௭ (‫ݔ‬, ‫ݕ‬, ‫)ݖ‬
0
0
0
0
0
‫ݒ‬Ԧ = ൭‫ݒ‬௬ (‫ݔ‬, ‫)ݖ‬൱ = ൭‫ݒ‬௬ (‫)ݔ‬൱ = ൭‫ݒ‬௬ ൱
0
0
0
Le champ est donc uniforme et unidirectionnel.
Exercice 2 : Calcul de débits
dans une conduite cylindrique de rayon ܴ. Calculer le
On observe un écoulement axial de symétrie cylindrique
L’écoulement stationnaire sera décrit en repérage
cartésien et s’effectue « en sens unique » :
débit volumique et la vitesse moyenne de l’écoulement
(appelée aussi vitesse débitante) si :
‫ݒ‬௭ = ‫ݒ‬଴ exp (−
-
଼௥ మ
ோమ
) avec ‫ݒ‬଴ vitesse en ‫ = ݎ‬0 (on
prendra exp(−8) ≪ 1)
‫ݒ‬௭ = ‫ݒ‬଴ (1 −
-
௥మ
ோమ
) avec ‫ݒ‬଴ vitesse en ‫ = ݎ‬0
Avec le profil gaussien, on a :
‫ܦ‬௩ = ඵ ‫ݒ‬଴ exp (−
ௌ
L’expérimentateur effectue les observations suivantes :
Conditions de la mesure
Débitmètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݕܱݔ‬à la côte ‫ݖ‬
Débitmètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݖܱݕ‬à la côte ‫ݔ‬
Débitmètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݖܱݔ‬à la côte ‫ݕ‬
Débitmètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݖܱݔ‬à la côte
‫ ݕ‬+ ݀‫ݕ‬
Circulomètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݖܱݔ‬à la côte ‫ݕ‬
Circulomètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݖܱݕ‬à la côte ‫ݔ‬
Circulomètre dans un plan
parallèle à (‫ )ݔܱݕ‬à la côte ‫ݖ‬
Observations
Débit nul
‫ܦ‬௩ = 2ߨ‫ݒ‬଴ ቈ−
‫ܦ‬௩ =
௩బ గோమ
଼
ோ
௩బ
଼
Avec le profil Poiseuille, on a :
‫ܦ‬௩ = ඵ ‫ݒ‬଴ (1 −
ௌ
Débit non nul de valeur
‫ܦ‬଴
Aucun capillaire
traversé par un
écoulement
Deux capillaires sont
traversés par de l’eau
mais la circulation
totale est nulle
Deux capillaires sont
traversés par de l’eau
mais la circulation
totale est nulle
Rଶ
8‫ ݎ‬ଶ
‫ݒ‬଴ πRଶ
(1 − exp(−8))
exp (− ଶ )቉ =
16
ܴ ଴
8
soit une vitesse moyenne donnée par
Débit nul
Débit non nul de valeur
‫ܦ‬଴
ோ
8‫ ݎ‬ଶ
8‫ ݎ‬ଶ
)‫ = ߐ݀ݎ݀ݎ‬2ߨ‫ݒ‬଴ න ‫ݎ‬exp (− ଶ )݀‫ݎ‬
ܴଶ
ܴ
଴
‫ܦ‬௩ = 2ߨ‫ݒ‬଴ ቈ
‫ݎ‬ଶ
) ‫ߐ݀ݎ݀ݎ‬
ܴଶ
rଶ
‫ݎ‬ସ
ߨ‫ݒ‬଴ ܴ ଶ
− ଶ቉ =
2 4ܴ ଴
2
ோ
Soit une vitesse moyenne donnée par
Exercice
3:
Problème
de
௩బ
ଶ
physique
concernant
l’écoulement incompressible d’air dans une conduite
On considère un écoulement stationnaire, homogène
(donc incompressible et de masse volumique donnée)
d’air dans une conduite cylindrique de 50 cm de
diamètre, à une pression de 1,5 bar et une vitesse
moyenne de 2 m.s-1. Cet air, à la température de 300K,
peut être considéré comme parfait.
Combien d’installation comme celle-ci
permettent de
respecter les normes en vigueur dans une cantine
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TD6
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scolaire servant 400 repas. Calculer le débit massique
de l’installation complète.
߲ߩ݀ࢂ ߲ߩ
=
݀ࢂ = ݆௬ (‫ݕ‬, ‫ ݖ݀ݔ݀)ݐ‬− ݆௬ (‫ ݕ‬+ ݀‫ݕ‬, ‫ݖ݀ݔ݀)ݐ‬
߲‫ݐ‬
߲‫ݐ‬
= −൫݆௬ (‫ ݕ‬+ ݀‫)ݕ‬, ‫ݐ‬൯ − ݆௬ (‫ݕ‬, ‫ݖ݀ݔ݀)ݐ‬
Soit ܰ le nombre d’installations, on a un débit volumique
donné alors par : ‫ܦ‬௩ = ܰ‫ݒ‬଴ ܵ et une consigne imposant
‫ܦ‬௩ = 400 ×
on trouve ܰ = 6
ଶ଴
ଷ଺଴଴
డఘ
Soit :
le débit massique et volumique par : ‫ܦ‬௠ = ߩ‫ܦ‬௩ .
L’hypothèse incompressible permet de relier facilement
de 4kg/s
ெ௉
ோ்
݀࣎ = −
డఘ
Et donc :
La masse volumique nous ait donnée par la loi des gaz
parfait : ߩ =
డ௧
on peut alors trouver le débit massique
డ௧
1)
on
a
volumique :
donc
conservation
‫ݒ‬ଵ ܵଵ = ‫ݒ‬ଶ ܵଶ = ‫ܦ‬௩
଴,ଵ
≈ 3݉. ‫ି ݏ‬ଵ
మ
గ(଴,ଵ)
et
du
débit
‫ݒ‬ଶ =
஽ೡ
ௌమ
=
଴,ଵ
≈
మ
గ(଴,଴ହ)
par 4 la vitesse de l’écoulement
On se place en repérage cylindrique, exprimer
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ,
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ,
‫ݑ‬௥ ݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ,
‫ݑ‬௾
௥ ‫ݐ݋ݎ‬
௾ ‫ݐ݋ݎ‬
unitaires ‫ݑ‬
ሬሬሬሬԦ,
‫ݑ‬௬ et ሬሬሬሬԦ
‫ݑ‬௭ est nulle. De même, la circulation
௫ ሬሬሬሬԦ
de ces mêmes vecteurs est nulle.
On peut, sans utiliser les définitions de l’opérateur
divergent et rotationnel dans la base cylindrique)
trouver :
-
et 3D
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ௥ en calculant le flux à travers une surface
fermée
unidimensionnel donné par ‫ݒ‬Ԧ = ‫ݒ‬௬ (‫ݕ‬, ‫ݑ)ݐ‬
ሬሬሬሬԦ௬ en repérage
un
écoulement
unidirectionnel
et
cartésien.
-
2)
cartésien,
En reprenant le travail qualificatif vu en cours, on peut
Exercice 5 : Equation de conservation de la masse à 1D
1)
en repérage
les
prévoir, sans calcul, que la divergence des vecteurs
12݉‫ି ݏ‬ଵ : diviser par deux la section revient à multiplier
considère
dans
pour
d’autre part ?
2)
pour ce fluide et sachant que l’écoulement est
On
En travaillant
vecteurs
unitaires,
ሬሬሬሬሬሬԦ
ሬሬሬሬሬሬԦ
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ,
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ,
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ
d’une
part
et
‫ݐ݋ݎ‬
ሬሬሬሬԦ,
‫ݑ‬
‫ݐ݋ݎ‬
ሬሬሬሬԦ,
‫ݑ‬௬ ‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬௭
௫
௬
௭
௫
L’hypothèse incompressible (et homogène) est implicite
ௌభ
డ௬
exprimer,
deux conduites.
=
݀࣎
vecteur
diamètre 10cm. Calculer les vitesses moyennes dans les
஽ೡ
డ௬
߲ߩ
߲݆௫ ߲݆௬ ߲݆௭
=−
−
−
= −݀݅‫ݒ‬ଔԦ
߲‫ݐ‬
߲‫ݖ߲ ݕ߲ ݔ‬
100L.s-1. Le fluide passe ensuite dans une conduite de
‫ݒ‬ଵ =
డ௝೤
డ௝೤
Dans le cas d’un problème à trois dimensions ଔԦ = ݆௫ ሬሬሬԦ
݁௫ +
݆௬ ሬሬሬሬԦ
݁௬ + ݆௭ ሬሬሬԦ
݁௭
manière stationnaire, du pétrole avec un débit de
Donc
݀‫ = ݖ݀ݔ݀ݕ‬−
Exercice 6 : Divergence et rotationnel d’un champ de
Dans une conduite de 20cm de diamètre circule, de
stationnaire,
డ௬
=−
Exercice 4 : Vitesse d’un liquide dans une conduite de
section variable
డ௝೤
Obtenir l’équation de conservation de la masse
locale sur un élément de volume ܸ݀.
telle
que :
(−‫ ݖ݀ߐ݀ݎ‬+ (‫ ݎ‬+ ݀‫= )ݎ݀ߐ݀)ݎ‬
݀‫ݑݒ݅݀ = ݖ݀ߐ݀ݎ‬
ሬሬሬሬԦ‫ݖ݀ߐ݀ݎ݀ݎ‬
soit ݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ௥ =
௥
ሬԦ
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ
‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬௥ = 0
݀݅‫ݑݒ‬
ሬሬሬሬԦ
௾ =0
ଵ
௥
ሬሬሬሬԦ
௨
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ‫ݑߐ݀ݎ݀ݎ‬
ሬሬሬሬሬሬԦ ሬሬሬሬԦ
‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬௾
ሬሬሬሬԦ௭ = ݀‫ ߐ݀ݎ‬soit ‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬௾ = ೥
௥
à une dimension en effectuant une analyse
Exercice 7 : Ecoulement puits et source
Généraliser l’expression précédente en se
On appelle source, un tuyau filiforme (de section
plaçant à 3 dimensions.
négligeable), rectiligne (confondu avec l’axe ܱ‫ ݖ‬des
coordonnées cylindriques), supposé infini, poreux et
alimenté en eau. Ce tuyau est alors responsable d’un
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TD6
TSI2015-2016
écoulement radial de la forme ‫ݒ‬௥ (‫ݎ‬, ߐ, ‫ݖ‬, ‫ )ݐ‬en repérage
cylindrique.
1)
On
suppose
l’écoulement
stationnaire,
à
masse volumique ߩ଴ uniforme). Montrer alors
symétrie cylindrique et incompressible (de
‫ݒ‬௥ (‫= )ݎ‬
௄
௥
où ‫ ܭ‬est une constante.
݂:
Détaillons les conséquences de chaque hypothèse :
-
cylindriques pour un champ de vecteur ܽԦ et une fonction
On donne les opérateurs suivants en coordonnées
‫ݒ‬௥ (‫ݎ‬, ߐ, ‫ݖ‬, ‫)ݐ‬
൱
0
0
Stationnaire : ‫ݒ‬௥ (‫ݎ‬, ߐ, ‫)ݖ‬
Champ radial :‫ݒ‬Ԧ = ൭
߲݂
‫ۊ ݎ߲ ۇ‬
1 ߲݂
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ
‫ۋ‬
݃‫ۈ = ݂ ݀ܽݎ‬
‫ۋ ߐ߲ ݎۈ‬
߲݂
‫ی ݖ߲ ۉ‬
La symétrie cylindrique entraîne alors que ‫ݒ‬௥ (‫)ݎ‬
Incompressible et de masse volumique ߩ଴ : d’après
1 ߲ܽ௭ ߲ܽణ
−
߲‫ۊ ݖ‬
‫ߴ߲ ݎ ۇ‬
߲ܽ௥ ߲ܽ௭
‫ۋ‬
ሬሬሬሬሬሬԦ ܽԦ(‫ۈ = )ܯ‬
‫ݐ݋ݎ‬
−
߲‫ۋ ݎ‬
‫ݖ߲ ۈ‬
1 ߲‫ܽݎ‬ణ 1 ߲ܽ௥
‫ ݎ߲ ݎ ۉ‬− ‫ی ߴ߲ ݎ‬
l’équation de conservation la vitesse est à flux
conservatif et ݀݅‫ݒݒ‬Ԧ = 0 donc
ଵ డ௥௩ೝ
௥ డ௥
= 0 soit ‫ݒ‬௥ = .
௄
௥
݀߶ = ‫ ݎ(ݒ‬+ ݀‫ ݎ()ݎ‬+ ݀‫ ݖ݀ߐ݀)ݎ‬−
On peut retrouver ce résultat en faisant un bilan
local
de
‫= ݖ݀ߐ݀ݎ)ݎ(ݒ‬
2)
flux
డ௥௩
డ௥
݀‫ = ݖ݀ߐ݀ݎ‬0
On note ‫ܦ‬௩,௟ le débit volumique linéique (c’est-
݀݅‫ܽݒ‬Ԧ(‫= )ܯ‬
1 ߲‫ܽݎ‬௥ 1 ߲ܽణ ߲ܽ௭
+
+
‫ݎ߲ ݎ‬
‫ߴ߲ ݎ‬
߲‫ݖ‬
à-dire pour un mètre de tuyau) sortant du
Exercice 8 : Rotation d’un solide
fonction, entre autre, de ‫ܦ‬௩,௟
Soit une hélice en rotation par le passage d’un
tuyau. Exprimer le champ des vitesses en
écoulement d’air.
Pour mesurer facilement ce débit, dont l’intensité est
un cylindre d’axe Oz, de rayon ‫ ݎ‬et longueur unitaire:
indépendante du choix de la surface ouverte, prenons
‫ܦ‬௩,௟ = ඵ ‫ = ߐ݀ݖ݀ݎ)ݎ(ݒ‬2ߨ‫ܭ‬
ௌ
On a donc bien un flux qui se conserve si l’on considère
un tube de champ. Donc ‫ݒ‬௥ =
3)
஽ೡ,೗
ଶగ௥
Vérifier que l’écoulement est irrotationnel
On peut analyser les lignes de champ : la circulation sur
ሬԦ.
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ = 0
un contour élémentaire fermé est nulle, donc ‫ݐ݋ݎ‬
ሬԦ
Ou utiliser le formulaire et aussi vérifier que ሬሬሬሬሬሬԦ
‫ݒݐ݋ݎ‬Ԧ = 0
4)
A un écoulement irrotationnel (on parle aussi
d’écoulement potentiel) on peut associer une
appelée potentiel des
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ߶. Calculer ߶ à
vitesses, donnée par ‫ݒ‬Ԧ = ݃‫݀ܽݎ‬
fonction
scalaire,
une constante près que l’on prendra nulle.
5)
Représenter des lignes de courant et des
équipotentielles d’une source
6)
Le
tuyau
est
maintenant
une
pompe
d’aspiration (on parle de puits). Reprendre la
question précédente pour un puits.
Le potentiel est donc donné par
ௗథ
ௗ௥
= ‫ݒ‬௥ donc ߶ =
஽ೡ,೗
ଶగ
݈݊‫ݎ‬
On étudie le mouvement circulaire de rayon ‫ ݎ‬d’un point
‫ ܯ‬de l’hélice tournant à la vitesse angulaire ߱(‫)ݐ‬
1)
2)
A l’aide du cours de cinématique de 1e année,
donner l’expression de la vitesse ሬሬሬሬሬԦ(‫)ݐ‬
‫ݒ‬ெ /ோ du
point ‫ ܯ‬dans le référentiel terrestre ܴ.
Montrer que le résultat précédent vérifie la
relation ‫ݒ‬
ሬሬሬሬሬԦ(‫)ݐ‬
ሬԦ(‫ ∧ )ݐ‬ሬሬሬሬሬሬԦ
ܱ‫ ܯ‬où ߱
ሬԦ(‫ )ݐ‬est le
ெ
/ோ = ߱
߱
ሬԦ(‫ݑ)ݐ(߱ = )ݐ‬
ሬሬሬሬԦ.
௭
vecteur instantanée de rotation donné par
3)
4)
ሬሬሬሬሬሬԦሬሬሬሬሬԦ(‫)ݐ‬
Montrer que ‫ݐ݋ݎ‬
‫ݒ‬ெ /ோ = 2߱
ሬԦ(‫)ݐ‬
symétrie cylindrique tel que ‫ݒ‬Ԧ = ‫ݑ߱ݎ‬
ሬሬሬሬԦ
௾
Que dire d’un écoulement orthoradial et à
En cylindrique, on obtient rapidement :
Mécanique des fluides
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0
‫ݎ‬
‫ݒ‬Ԧ = ‫ݑ߱ݎ‬
ሬሬሬሬԦ
ሬԦ(‫ ∧ )ݐ‬ሬሬሬሬሬሬԦ
ܱ‫ = ܯ‬൭ 0 ൱ ∧ ቆ0ቇ
௾ = ߱
߱(‫)ݐ‬
0
On peut utiliser le formulaire :
0
0
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ(‫ = )ܯ‬൮
‫ݐ݋ݎ‬
ሬԦ(‫)ݐ‬
1 ߲‫ ݎ‬ଶ ߱൲ = 2߱
‫ݎ߲ ݎ‬
Ou, utiliser un contour élémentaire fermé :
߲‫ ݎ‬ଶ
݀‫ݎ‬
߲‫ݎ‬
݀‫ ݎ( = ܥ‬+ ݀‫ ݎ( × ߱)ݎ‬+ ݀‫ ߐ݀)ݎ‬− ‫× ߐ݀߱ = ߐ݀ݎ × ߱ݎ‬
݀‫ = ܥ‬2߱‫ = ݎ݀ߐ݀ݎ‬2߱݀ܵ = ሬሬሬሬሬሬԦ
‫ݒݐ݋ݎ‬Ԧ. ݀ܵԦ
B)
Soit : ሬሬሬሬሬሬԦ
‫ݒݐ݋ݎ‬Ԧ(‫ = )ܯ‬2߱
ሬԦ(‫)ݐ‬
donc tourbillonnaire et les particules de fluides ont
tendances à tourner sur elle-même sous l’action des
forces de viscosité (en plus de leur mouvement de
ሬሬԦ = ߱‫ݑ‬
rotation). Son vecteur tourbillon est donc Ω
ሬሬሬሬԦ௭
Exercice 9 : Description d’une tornade
modèles simplifiés d’un champ des vitesses stationnaire,
orthoradial et à symétrie cylindrique :
près.
Pour le premier modèle, on peut, en dehors de
considérer
l’écoulement
comme
irrotationnel et donc lui associer une fonction
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ߶.
potentiel scalaire ߶ telle que ‫ݒ‬Ԧ = ݃‫݀ܽݎ‬
-
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ(‫ = )ܯ‬2߱‫ݑ‬
‫ݐ݋ݎ‬
ሬሬሬሬԦ௭ donc le vecteur
Si ‫ݎ < ݎ‬଴ :
tourbillon est ߱‫ݑ‬
ሬሬሬሬԦ௭
ሬԦ et le vecteur tourbillon est
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ(‫ = )ܯ‬0
Si ‫ݎ > ݎ‬଴ : ‫ݐ݋ݎ‬
nul
Exercice 10 : Problème de physique
région vide de courant, alors ‫ݒ‬Ԧ est uniforme.
et irrotationnel sont des droites parallèles dans une
ሬԦ = ‫ݕ(ݒ‬, ‫݁)ݖ‬ሬሬሬԦ௫ et
Si ‫ݒ‬Ԧ = ‫ݔ(ݒ‬, ‫ݕ‬, ‫݁)ݖ‬ሬሬሬԦ௫ alors avec ݀݅‫ݒݒ‬Ԧ = 0 ‫ܤ‬
డ௩
ሬԦ = డ௩ ሬሬሬሬԦ
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ = 0
‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬௭ = ሬሬሬሬԦ
‫ݑ‬௬ ce qui impose ‫ݒ‬Ԧ = ‫݁ݒ‬ሬሬሬԦ௫
డ௬
డ௭
Exercice 11 : Modélisation d’un écoulement autour d’un
Calculer ߶ à une constante près (prise nulle).
obstacle*
équipotentielles pour ce 1e modèle.
placé dans un fluide dont l’écoulement loin de cet
Représenter les lignes de courant et quelques
Avec
modèle, plus réaliste :
écoulement stationnaire et homogène (incompressible)
Trouver le champ des vitesses à un facteur ‫ܭ‬
O,
Pour lever ce problème définition, on utilise le 2e
Etablir que, si les lignes de champ des vitesses d’un
1e modèle : l’écoulement est irrotationnel en
tout point (sauf en O)
2)
௥
< ‫ݎ‬଴ . Avec ‫ ܭ‬et ߱ constantes
de ߱.
-
L’écoulement d’une tornade peut être décrit par deux
1)
௄
Déterminer le vecteur tourbillon en fonction
Si un écoulement possède ce type de rotationnel, il est
A)
2e modèle : ‫ݒ‬Ԧ = ሬሬሬሬԦ
‫ݑ‬௾ si ‫ݎ > ݎ‬଴ et ‫ݒ‬Ԧ = ߱‫ݑݎ‬
ሬሬሬሬԦ
௾ si
les
hypothèses
:
0
‫ݒ‬Ԧ = ൭‫ݒ‬௾ (‫)ݎ‬൱
0
0
ሬሬሬሬሬሬԦ ‫ݒ‬Ԧ(‫ = )ܯ‬ቌ 0 ቍ soit డ௥௩ഛ = 0 et ‫ݒ‬Ԧ = ௄ ሬሬሬሬԦ
‫ݐ݋ݎ‬
‫ݑ‬
ଵ డ௥௩
డ௥
௥ ௾
ഛ
et
௥ డ௥
On peut retrouver ce résultat avec un bilan de
circulation sur un contour élémentaire :
݀‫ ݎ(ݒ = ܥ‬+ ݀‫ ߐ݀)ݎ‬− ‫× ߐ݀ = ߐ݀ݎݒ‬
߲‫ݒݎ‬
݀‫ = ݎ‬0
߲‫ݎ‬
Le potentiel des vitesses du 1e écoulement est donné
par :߶ = ‫ߐܭ‬
Un cylindre immobile de rayon de base ܴ et d’axe ܱ‫ ݖ‬est
obstacle se fait à vitesse uniforme ‫ݒ‬଴ ሬሬሬሬԦ.
‫ݑ‬௫ Pour étudier
l’effet
du
cylindre
sur
l’écoulement
supposé
incompressible (de masse volumique ρ) et stationnaire,
on utilise une méthode de superposition.
Mécanique des fluides
TD6
source ܵ en (−݀, 0, ‫( )ݖ‬permettant de « repousser »
TSI2015-2016
L’écoulement est considéré comme l’association d’une
En utilisant les résultats du TD :
l’écoulement) et d’un puits ܲ en (+݀, 0, ‫( )ݖ‬permettant de
߶ௗ =
unité de longueur ‫ܦ‬. On note ܵ‫ݎ = ܯ‬௦ et ܵܲ = ‫ݎ‬௣ .
contourner l’obstacle), de même débit volumique par
1)
݀
‫ݎ‬௦ = ඥ݀ ଶ + ‫ ݎ‬ଶ + 2݀‫ ݎ ≈ ߐݏ݋ܿݎ‬൬1 + ܿ‫ߐݏ݋‬൰
‫ݎ‬
Donner l’expression du potentiel ߶ௗ (‫ݎ‬௦ , ‫ݎ‬௣ )
݀
‫ݎ‬௣ = ‫ ݎ‬൬1 − ܿ‫ߐݏ݋‬൰
‫ݎ‬
associé à ce dipôle source-puits.
2)
lorsque ݀ → 0 et ‫ ∞ → ܦ‬de telle sorte que le
On envisage la limite du doublet précédente
produit 2‫ ݀ܦ‬demeure égal à une valeur finie
notée ‫݌‬. Exprimer alors ߶ௗ (‫ݎ‬, ߐ) en un point ‫ܯ‬
߶ஶ (‫ݎ‬, ߐ)
en repérage cylindrique dans ce cadre.
‫ݎ‬௦
‫ܦ‬
൫݈݊‫ݎ‬௦ − ݈݊‫ݎ‬௣ ൯ = ‫݈݊ܦ‬
2ߨ
‫ݎ‬௣
݀
ଶ
‫ ܦ‬ቀ1 + ‫ߐݏ݋ܿ ݎ‬ቁ ‫ܦ‬
݀
߶ௗ =
݈݊
≈
݈݊ ൬1 + ܿ‫ߐݏ݋‬൰
2ߨ ቀ1 − ݀ ܿ‫ߐݏ݋‬ቁ 2ߨ
‫ݎ‬
‫ݎ‬
߶ௗ =
‫ܦ‬
݀
‫݌‬
݈݊ ൬1 + 2 ܿ‫ߐݏ݋‬൰ ≈
ܿ‫ߐݏ݋‬
2ߨ
‫ݎ‬
2ߨ‫ݎ‬
3)
Donner
4)
‫ݑ‬௫
l’écoulement de vitesse ‫ݒ‬଴ ሬሬሬሬԦ
En déduire le potentiel total (߶௧௢௧ = ߶ௗ + ߶ஶ )
5)
Monter qu’un débit volumique nécessairement
6)
Décrire et esquisser les lignes de champ de
7)
Le cylindre tourne autour maintenant de son
߶௧௢௧ =
dessous. Localiser les zones « à plus grande
On en déduit le champ des vitesses :
le
potentiel
associé
à
et le champ des vitesses associé.
nul en ‫ ܴ = ݎ‬conditionne l’expression de ‫݌‬
‫ߐݏ݋ܿ ݒ‬
L’écoulement à l’infini est : ሬሬሬሬԦ
‫ݒ‬଴ = ൬ ଴
൰ et donc :
−‫ݒ‬଴ ‫ߐ݊݅ݏ‬
߶௩బ = ‫ݒ‬଴ ‫ߐݏ݋ܿݎ‬
Donc le potentiel total est :
cet écoulement.
axe ܱ‫ݖ‬. On observe les lignes de champ ci-
vitesse »
et
« moins
grande
‫݌‬
ܿ‫ ߐݏ݋‬+ ‫ݒ‬଴ ‫ߐݏ݋ܿݎ‬
2ߨ‫ݎ‬
‫݌‬
ቁ ܿ‫ߐݏ݋‬
ଶ
2ߨ‫ݎ‬
‫ݒ‬Ԧ = ൮
൲
‫݌‬
− ቀ‫ݒ‬଴ +
ቁ ‫ߐ݊݅ݏ‬
2ߨ‫ ݎ‬ଶ
ቀ‫ݒ‬଴ −
vitesse »
d’écoulement. Justifier
imperméable alors la vitesse radiale est nulle ‫= ݌‬
Et si l’on souhait avoir un débit nul sur l’obstacle
2ߨ‫ݒ‬଴ ܴ ଶ.
Et donc :
ܴଶ
ቇ ܿ‫ߐݏ݋‬
‫ݎ‬ଶ
‫ۇ‬
‫ۊ‬
‫ݒ‬Ԧ = ‫ݒ‬଴ ‫ۈ‬
‫ۋ‬
ܴଶ
− ቆ1 + ଶ ቇ ‫ߐ݊݅ݏ‬
‫ݎ‬
‫ۉ‬
‫ی‬
ቆ1 −
8)
Comment faudrait-il modifier le potentiel
cylindre à la vitesse angulaire ߱ autour de son
Loin de l’obstacle, on retrouve ‫ݒ‬
ሬሬሬሬԦ.
଴ Sur l’obstacle, seule
points d’arrêt (en ߐ = 0 et ߐ=π). Sur l’obstacle la
précédent pour tenir compte de la rotation du
la vitesse est orthoradiale existe et l’on note deux
axe ܱ‫? ݖ‬
situation est symétrique ainsi :
Mécanique des fluides
TD6
L’effet de la rotation conduit, avec la viscosité, à faire
tourner le fluide autour de l’obstacle.
Le champ des vitesses augmente sous le cylindre car les
lignes de champ se resserrent
Si on modélise cet effet par un vortex alors :
߶௧௢௧ =
‫ݒ‬଴ ܴ ଶ
ܿ‫ ߐݏ݋‬+ ‫ݒ‬଴ ‫ ߐݏ݋ܿݎ‬+ ‫ߐܭ‬
‫ݎ‬
On en déduit le champ des vitesses :
ܴଶ
ቇ ܿ‫ߐݏ݋‬
‫ݎ‬ଶ
‫ۇ‬
‫ۊ‬
‫ݒ‬Ԧ = ‫ۈ‬
ଶ
ܴ
‫ۋܭ‬
−‫ݒ‬଴ ቆ1 + ଶ ቇ ‫ ߐ݊݅ݏ‬+
‫یݎ‬
‫ݎ‬
‫ۉ‬
‫ݒ‬଴ ቆ1 −
Avec ‫ ܴ = ܭ‬ଶ ߱ car la vitesse du fluide aux anciens points
d’arrêt doit s’identifier à la vitesse du cylindre. Au
prochain chapitre, nous verrons que cette dissymétrie
du champ des vitesses s’accompagne d’une dissymétrie
du champ des pressions.
‫ݒ‬௾ (ܴ)
ܽ‫݊݋݅ݐܽݐ݋ݎ ܿ݁ݒ‬
‫݊݋݅ݐܽݐ݋ݎ ݏ݊ܽݏ‬
ߐ
Une force pressante s’exerce sur le cylindre : c’est
l’effet Magnus. C’est cet effet qui explique la déviation
des ballons lors des coups francs.
TSI2015-2016
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