UniversitédeLiège
DépartementArGEnCoSecteurMS²F
Hydrologie,HydrodynamiqueAppliquéeetConstructionsHydrauliques
ElémentsdeMécaniquedesFluides
(2èmeBACIngénieursCivils&IngénieursCivilsArchitectes)
M.PIROTTON,Professeur
R.PAULUS,Assistant
ExamendeSeptembre2009
PartiepratiqueQuestion2Correctif
SoitunsiphondediamètredetdelongueurLsiphonalimentéparunrécipient,remplidegraisse,degrande
dimensionparrapportàdetouvertàl'atmosphère(patm=1,0bar).
CalculerlavitessemoyennedufluideenSpuisledébitQdusiphonpourH=3,0m;
DiscuterlavariationdecettevitesseenfonctiondeH;
Donnerl'expressiondelapressionrelativepMaupointMenfonctiondeh.
Représenterl'alluredelapressionrelativepMenfonctiondeh.hpeutilprendren'importequelle
valeur?
Figure1:Vueenélévationdusystèmedesiphon
Lespertesauseindescoudessontnégligées.Lefrottementenlongestluidéterminédemanièreexpérimentale.
AprèsavoirisolélapartiedeconduiteXY,onmesureladifférencedepressionentrelesextrémitésdecette
portiondeconduite,soitsurunedistanceLXY,pouruncertainécoulement(différentdeceluiréaliséparle
siphon).Pourcefaire,oninstallesurcetubedeuxcapteursdepressionstatiqueconstituéspardeux
manomètres.LesvaleursdespressionsrelativesdonnéesparcesappareilssontdepX=1,12baretpY=1,055
bar.EnutilisantlaloidePoiseuille,etenvérifiantlabonneapplicabilitédecelleci,lecoefficientdefrottement
linéaireλpeutêtredéterminé.
Données:
μgraisse=0,275Pa.s;
ρgraisse=890kg/m³;
LXY=1,2m;
Lsiphon=5m;
d=10cm.
Quefautilrésoudre?Equationsenjeu?
Ecoulementencharged’unfluideentre2points=>Bernoulli.
Rechercheducoefficientdefrottement=>Poiseuille.
Commentprocéder?Schémaglobalderésolution…
Aprèsavoirexprimél’équationdeBernoullipourlaconfigurationenplace,ils’agit
d’exprimerlesdifférentespertesdechargeentrelepointAetlepointS.Unefoisl’équation
finaleconnue,ilresteàlarésoudrepourobtenirlavitessed’écoulemententrecesdeux
points,d’endéduireledébit.
Pourdéterminerlespertesdecharge‐quisontuniquementdespertesparfrottementen
long‐entreles2points,ilfautconnaitrelecoefficientdefrottementenlongcorrespondau
régimedel’écoulementétudié.
Aufinal,larésolutionsedérouledèslorsen2étapessuccessives:
1. déterminerlecoefficientdefrottementenlongλ;
2. exprimerl’équationdeBernoulliafindedéterminerlavitesseetledébit
d’écoulementdanslaconduite.
Unefoislavitesseetledébitdéterminé,ilresteàdiscuterlesquestionssubsidiaires.
Résolution
Partie1
Ils’agitdansunpremiertempsd’étudier,aumoyendel’équationdePoiseuille,l’écoulement
pourlaportiondetubeconsidérée,soitd’ydéterminerledébitd’écoulement.
L’équationdePoiseuille,entrelespointsXetY,s’écrit…
4
128
XY
L
Q
pd
μ
π
Δ=
(
)
4
128
XY
p
pd
QL
π
μ
=
Et,numériquement,ona
(
)
(
)
4
55
1,12 10 1, 055 10 0,1
128 0, 275 1, 2
Q
π
⋅− ⋅
=⋅⋅
23
4,83 10 /
48,3 /
Qms
ls
=⋅
=
IlresteàvérifiersiPoiseuilleétaitbienapplicable(calculduReynolds),etàainsi,enfonction
durégimed’écoulement,déterminerlecoefficientdefrottementenlong.
2
440,048
0,1
Re 0, 275
890
64
1994 2000 Re
Qd
vd d
π
π
μ
νρ
λ
== =
=< →=
0,032
λ
=
Partie2
Ils’agitmaintenantd’étudierl’écoulementdanslesiphon,cecienexprimantl’équationde
BernoullientrelespointsAetS,enfaisantl’hypothèsed’uncoefficientdefrottementconnu
etégalàceluidéterminéprécédemment.
2
2
22
SS
AA
A
SAS
pU
pU
zz h
gg gg
ρρ
++=+++Δ
Sicertainstermessontdirectementconnus,d’autressontfonctionsdelavitesse(quiest
notreinconnue,soitUS,pertes)etd’autresenfinnécessitentdeshypothèsesoudes
observationsplusprécises…
pourlespressions,lasurfacelibreetl’emboutdutuyausontàlapression
atmosphérique1;
pourl’altitudeenA,onpeutaffirmerque,sicelleciesteffectivementvariable
avecletemps,cesvariationssontnégligeables2;
pourlavitesseenA,onpeutsupposerquecelleciestfaible,etdonc
égalementnégligerletermecorrespondant3;
lesseulespertesconsidéréessontlespertesparfrottementenlong,le
coefficientdéterminéplustôtétantluiconsidéréindépendantdurégime
d’écoulement;
ledébit(parcontinuité)estconstantsurtoutelaconduite;lasectiondela
conduiteétantconstante,lavitessed’écoulementestdonclamêmeentous
pointsdelaconduite(US=U).
Aufinal,onadèslors
22
22
AS
UU
L
zz gg
λ
φ
−= +
2
1
2
U
Hg
λ
φ
⎛⎞
=+
⎜⎟
⎝⎠
222
11
S
gH gH
UUU
L
L
λλ
φ
φ
=→==
⎛⎞ ⎛⎞
++
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠
4, 75 /
S
Ums
=
2
3,73 10 ³ /
37,3 /
Qms
ls
=⋅
=
Questions«subsidiaires»
DiscuterlavariationdecettevitesseenfonctiondeH;
EnexaminantlarelationanalytiquereliantlavitesseenSetlahauteurHobtenueaprès
manipulationdel’équationdeBernoulli,onvoittrèsrapidementquecettevitesse
augmenteraaveclaracinedelahauteur.
1OnauradoncpA=pS=1bar.
2Ensupposantlesdimensionsdubassinassezgrandesquepourquelesvariationsdelasurfacelibrepuissent
êtreconsidéréescommefaibles.
3Idem2.
Donnerl'expressiondelapressionrelativepMaupointMenfonctiondeh.
Enexprimantl’équationdeBernoullientrelepointAetlepointM,ona
2
2
22
SS
MM
M
SMS
pU
pU
zz h
gg gg
ρρ
++ =+++Δ
Certainstermesnécessitentdeshypothèsesoudesobservationsplusprécises…
lapressionenSestlapressionatmosphériqueetontravailleenpressions
relatives;
lesseulespertesconsidéréessontlespertesparfrottement;
ledébit(parcontinuité)estconstantsurtoutelaconduite;lasectiondela
conduiteétantconstante,lavitessed’écoulementestdonclamêmeentous
pointsdelaconduite(US=UM).
M
M
SMS
p
zzh
g
ρ
+=+Δ
M
SM MS
pzz h
g
ρ
=− +Δ
()
M
M
S
pHh h
g
ρ
=− + + Δ
(
)
(
)
MMS
pgh Hhfh
ρ
++
Représenterl'alluredelapressionrelativepMenfonctiondeh.hpeutilprendre
n'importequellevaleur?
LareprésentationgraphiquedelapressionenMdépendradelaformedespertesdecharge.
Ennégligeantcellesci,onasimplementunedroitedécroissante.hpossèdedèslorsune
bornesupérieure,audelàdelaquellelapressionenMdeviendraittropfaible,amenantdes
risquesdecavité.
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