Les´
etudesexp´
erimentales´
etablissent l’existence d’un nombredeReynoldscritiqueRec,voisin de
105,au-del`
aduquel le coefficientdetraˆ
ın´
ee chutebrutalement.Lesm´
ecanismesresponsablesde cette
chutesont li´
es`
alanaturedel’´
ecoulementdel’airautourdu ballon.Onseproposedemod´
eliserce
r´
egimed’´
ecoulementdanslesquestions suivantes.
FIN DELA PARTIEI
II.—´
Ecoulementd’un fluidevisqueuxlelongd’uneparoisolide
Dansun premiertemps,afin desimplifierle
probl`
eme,on assimilelasurface du ballon
`
auneplaqueplanesemi-infinied’´
equation
(y=0,x>0)repr´
esent´
ee surlafigure1.
L’´
ecoulementdu fluide,au-dessusdela
plaque,estsuppos´
estationnaire,incompres-
sible etbidimensionnel.Le champ devi-
tesse estpris souslaforme−→
V=u(x,y)b
ex+
v(x,y)b
ey.Lesfonctionsuetvsontrespec-
tivementappel´
eescomposantelongitudinale
etverticaledu champ devitesse.Loin dela
plaque,lavitessesestabilise`
alavaleurU,
ainsi :
FIG.1 – ´
Ecoulementd’un fluide au dessusd’une
plaquesemi-infinie.
lim
y→+∞−→
V=Ub
ex=−→
V∞
On n´
egligel’action delapesanteur.LenombredeReynoldsestmaintenantd´
efinicommeunefonc-
tion delavariablexparlarelation :Re(x)=Ux/n.Danslasuitedu probl`
eme,on consid´
erera
syst´
ematiquementqueRe(x)≫1,ce quisupposequeledomained’´
etude exclut lasingularit´
ex→0.
Onappelle couchelimitelar´
egion danslaquellelavitessedu fluidediff`
eresensiblementdesavaleur
loin delaplaque.
Pour´
evaluerl’´
epaisseur
δ
(x)de cette couchelimite,on adoptelepointdevueLagrangien.Uneparti-
culedefluide´
emise au voisinagedel’origineOsed´
eplace d’unedistance approximativex(t)≃Utle
long del’axeOxentrel’instant initialet ladatet.Parailleurs,aucoursdelamˆ
emedur´
ee,l’influence
delaviscosit´
e estperceptiblesurune´
epaisseur
δ
(t)=√nt.
5—D´
eduirede cette´
evaluation laloi
δ
(x)donnant l’´
epaisseurdela couchelimite`
aunedistance
xdel’arˆ
etedelaplaque.`
Aquelle condition lag´
eom´
etrieplanepermet-elleded´
ecrire correctement la
surface du ballon ?
6—Formerlerapport
δ
(x)/xet l’exprimerenfonction deRe(x).
On d´
eduit delaquestion pr´
ec´
edenteque
δ
(x)≪x.Ilapparaˆ
ıt quel’´
ecoulementestcaract´
eris´
epar
deux ´
echellesdelongueur,l’une(´
epaisseurdela couchelimite)´
etant tr`
esfaibledevant l’autre(dis-
tance longitudinalelelong delaplaque).Oncherche`
aprendre encompte cette caract´
eristiquede
fac¸on `
asimplifierles´
equationsdeladynamiquedu fluide en´
ecoulement.On proc`
ededelafac¸on
suivante:pourtoutegrandeurg(x,y)relative`
al’´
ecoulementon ´
evaluelesordresdegrandeurdes
d´
eriv´
eespartiellesen´
ecrivantque:
∂
g
∂
x≃g
xet
∂
g
∂
y≃g
δ
7—En´
ecrivant l’hypoth`
esed’´
ecoulement incompressible,montrerquel’un des´
el´
ementsdu
couple(u,v)estn´
egligeabledevant l’autre.