Notions de Mécanique des Fluides: Cours et Exercices Corrigés

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Notions de Mécanique des Fluides: Cours et Exercices Corrigés

Fluid Mechanics · notes

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NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES CCCooouuurrrsss eeettt EEExxxeeerrrccciiiccceeesss CCCooorrrrrriiigggééésss

Riadh BEN HAMOUDA

Centre de Publication Universitaire

AVANT-PROPOS

L’étude de la mécanique des fluides remonte au moins à l’époque de la Grèce

antique avec le célèbre savon Archimède, connu par son principe qui fut à l’origine

de la statique des fluides. Aujourd’hui, la dynamique des fluides est un domaine

actif de la recherche avec de nombreux problèmes non résolus ou partiellement

résolus.

Dans cet ouvrage se trouve exposé l’essentiel de ce qu’un étudiant des Instituts

Supérieurs des Etudes Technologiques doit savoir. Les automatismes

hydrauliques et pneumatiques sont actuellement très utilisés en industrie. Donc, un

technicien quelque soit sa spécialité doit acquérir les notions fondamentales en

mécanique des fluides. Nous avons cherché à éviter les développements

mathématiques trop abondants et pas toujours correctement maîtrisés par la

plupart des techniciens supérieurs et insisté très largement sur les applications

industrielles et les problèmes de dimensionnement. Ainsi, l’étude de la mécanique

des fluides sera limitée dans cet ouvrage à celle des fluides homogènes. Les lois

et modèles simplifiés seront utilisés pour des fluides continus dans une description

macroscopique. Egalement, nous limiterons notre étude à celle des fluides parfaits

et réels. Dans l’étude dynamique nous serons amenés à distinguer les fluides

incompressibles et les fluides compressibles.

Le chapitre 1 constitue une introduction à la mécanique des fluides dans

laquelle on classe les fluides parfaits, les fluides réels, les fluides incompressibles

et les fluides compressibles et on définit les principales propriétés qui seront

utilisées ultérieurement.

Le chapitre 2 est consacré à l’étude des fluides au repos. Les lois et théorèmes

fondamentaux en statique des fluides y sont énoncés. La notion de pression, le

théorème de Pascal, le principe d’Archimède et la relation fondamentale de

l’hydrostatique sont expliqués.

Dans le chapitre 3 sont traitées les équations fondamentales qui régissent la

dynamique des fluides incompressibles parfaits, en particulier, l’équation de

continuité et le théorème de Bernoulli. Elles sont considérées très importantes

dans plusieurs applications industrielles, entre autres dans la plupart des

instruments de mesures de pressions et de débits qu’on peut rencontrer dans

beaucoup de processus industriels de fabrication chimique surtout.

Dans le chapitre 4 sont démontrés les équations et les théorèmes relatifs à la

dynamique des fluides incompressibles réels. Une méthode simplifiée de calcul

des pertes de charge basée sur ces équations est proposée. Elle est indispensable

pour le dimensionnement des diverses installations hydrauliques (problèmes de

pompage, de turbines, de machines hydrauliques, et thermiques dans lesquelles

est véhiculé un fluide etc.)

Le chapitre 5 est consacré à l’étude des fluides compressibles. Les lois et les

équations fondamentales de la dynamique ainsi que le théorème de Saint-Venant

nécessaires pour traiter un problème d’écoulement de gaz sont démontrés.

Certaines notions de thermodynamique, jugées indispensables pour introduire

quelques paramètres, sont ajoutées.

La dernière partie de chaque chapitre est consacrée à des exercices corrigés.

Ils sont extraits, pour la plupart, des examens et devoirs surveillés que j’ai proposé

à l’Institut Supérieur des Etudes Technologique de Djerba. Ils sont choisis pour

leur intérêt pratique et pour leur diversité. Chaque exercice traite un domaine

particulier d’application qu’un technicien supérieur pourrait rencontrer aussi bien

dans le cadre des travaux pratiques à l’ISET qu’en industrie dans sa vie active. Les

solutions avec beaucoup de détail, devraient permettre à l’étudiant d’acquérir, en

peu de temps, la maîtrise nécessaire des concepts utilisés. Ces exercices

permettront également de tester l’avancement de leurs connaissances.

En ce qui concerne la typographie, il a paru opportun de garder les mêmes

notations dans la partie exercices corrigés et dans la partie cours. Les points

importants sont écrits en caractère gras et les résultats sont encadrés.

Cet ouvrage constitue une première version. Il sera certainement révisé. Les

critiques, les remarques et les conseils de tous les compétents du domaine qui

veulent nous aider et encourager seront accueillis avec beaucoup de respect et

remerciement.

Riadh BEN HAMOUDA, Octobre 2008

TABLE DES MATIERES

Chapitre 2 :

Chapitre 1 :

2.1 2.2 2.3 2.4

Introduction à la Mécanique des Fluides ......................................... 1 1 Introduction ........................................................................................................... 1 2 Définitions ............................................................................................................. 1 Fluide parfait .................................................................................................. 2 Fluide réel ...................................................................................................... 3 Fluide incompressible .................................................................................... 3 Fluide compressible ....................................................................................... 3 3 Caractéristiques physiques ................................................................................... 4 3.1 Masse volumique ........................................................................................... 4 3.2 Poids volumique ............................................................................................ 4 3.3 Densité .......................................................................................................... 4 Viscosité ........................................................................................................ 5 3.4 4 Conclusion ............................................................................................................ 7 5 Exercices d’application ......................................................................................... 8 Statique des fluides ......................................................................... 10 1 Introduction ......................................................................................................... 10 2 Notion de pression en un point d’un fluide .......................................................... 10 3 Relation fondamentale de l’hydrostatique ........................................................... 12 4 Théorème de Pascal ........................................................................................... 14 4.1 Enoncé ........................................................................................................ 14 4.2 Démonstration ............................................................................................. 14 5 Poussée d’un fluide sur une paroi verticale ........................................................ 15 5.1 Hypothèses .................................................................................................. 15 Eléments de réduction du torseur des forces de pression ........................... 15 5.2 5.2.1 Résultante ............................................................................................ 16 5.2.2 Moment................................................................................................. 16 5.3 Centre de poussée ...................................................................................... 17 6 Théorème d’Archimède ....................................................................................... 17 Énoncé ........................................................................................................ 17 6.1 6.2 Démonstration ............................................................................................. 18 7 Conclusion .......................................................................................................... 20 8 Exercices d’aplication ......................................................................................... 21 Dynamique des Fluides Incompressibles Parfaits ........................ 52 1 Introduction ......................................................................................................... 52 2 Ecoulement Permanent ...................................................................................... 52 3 Equation de Continuité ........................................................................................ 52 4 Notion de Débit ................................................................................................... 54 4.1 Débit massique ............................................................................................ 54 4.2 Débit volumique ........................................................................................... 55 4.3 Relation entre débit massique et débit volumique ....................................... 55 5 Théorème de Bernoulli – Cas d’un écoulement sans échange de travail ........... 56 6 Théorème de Bernoulli – Cas d’un écoulement avec échange de travail .......... 57

Chapitre 3 :

Chapitre 5 :

Chapitre 4 :

7 Théorème d’Euler : ............................................................................................. 59 8 Conclusion .......................................................................................................... 61 9 Exercices d’application ....................................................................................... 61 Dynamique des Fluides Incompressibles Reels ............................ 88 Introduction ......................................................................................................... 88 1 2 Fluide Réel .......................................................................................................... 88 3 Régimes d’écoulement - nombre de Reynolds ................................................... 88 4 Pertes de charges ............................................................................................... 90 4.1 Définition ...................................................................................................... 90 Pertes de charge singulières ....................................................................... 94 4.2 Pertes de charges linéaires : ....................................................................... 94 4.3 5 Théorème de Bernoulli appliqué à un fluide reel ................................................. 95 6 Conclusion .......................................................................................................... 96 7 Exercices d’application ....................................................................................... 96 Dynamique des Fluides Compressibles ........................................ 120 Introduction ....................................................................................................... 120 1 2 Equations d’etat d’un gaz parfait ....................................................................... 120 Lois des gaz parfaits .................................................................................. 120 Transformations thermodynamiques ......................................................... 120 3 Classification des écoulements ......................................................................... 122 3.1 Célérité du son ........................................................................................... 122 3.2 Nombre de Mach ....................................................................................... 122 Ecoulement subsonique ............................................................................ 122 3.3 Ecoulement supersonique ......................................................................... 122 3.4 4 Equation de continuite ...................................................................................... 122 5 Equation de Saint-Venant ................................................................................. 123 6 Etat générateur : ............................................................................................... 124 7 Conclusion ........................................................................................................ 125 8 Exercices d’application ..................................................................................... 125

2.1 2.2

CChhaappiittrree 11 :: IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN AA LLAA MMEECCAANNIIQQUUEE DDEESS FFLLUUIIDDEESS

11

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

La mécanique des fluides est la science des lois de I'écoulement des fluides. Elle

est la base du dimensionnement des conduites de fluides et des mécanismes de

transfert des fluides. C’est une branche de la physique qui étudie les écoulements

de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces

ou des contraintes. Elle comprend deux grandes sous branches:

- la statique des fluides, ou hydrostatique qui étudie les fluides au repos. C'est

historiquement le début de la mécanique des fluides, avec la poussée d'Archimède

et l'étude de la pression.

- la dynamique des fluides qui étudie les fluides en mouvement. Comme autres

branches de la mécanique des fluides.

On distingue également d’autres branches liées à la mécanique des fluides :

l'hydraulique, l'hydrodynamique, l'aérodynamique, …Une nouvelle approche a vu

le jour depuis quelques décennies: la mécanique des fluides numérique (CFD ou

Computational Fluid Dynamics en anglais), qui simule l'écoulement des fluides en

résolvant les équations qui les régissent à l'aide d'ordinateurs très puissants : les

supercalculateurs.

La mécanique des fluides a de nombreuses applications dans divers domaines

comme

l'ingénierie navale,

l'aéronautique, mais aussi

la météorologie,

la

climatologie ou encore l'océanographie.

22 DDEEFFIINNIITTIIOONNSS

Un fluide peut être considéré comme étant une substance formé d'un grand

nombre de particules matérielles, très petites et libres de se déplacer les unes par

rapport aux autres. C’est donc un milieu matériel continu, déformable, sans rigidité

et qui peut s'écouler. Les forces de cohésion entres particules élémentaires sont

1

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

très faibles de sorte que le fluide est un corps sans forme propre qui prend la

forme du récipient qui le contient, par exemple: les métaux en fusion sont des

fluides qui permettent par moulage d'obtenir des pièces brutes de formes

complexes.

On insiste sur le fait qu’un fluide est supposé être un milieu continu : même si l'on

choisit un très petit élément de volume, il sera toujours beaucoup plus grand que la

dimension des molécules qui le constitue. Par exemple, une gouttelette de

brouillard, aussi petite soit-elle à notre échelle, est toujours immense à l'échelle

moléculaire. Elle sera toujours considérée comme un milieu continu. Parmi les

fluides, on fait souvent la distinction entre liquides et gaz.

Les fluides peuvent aussi se classer en deux familles relativement par leur

viscosité. La viscosité est une de leur caractéristique physico-chimique qui sera

définie dans la suite du cours et qui définit le frottement interne des fluides. Les

fluides peuvent être classés en deux grande familles : La famille des fluides

"newtoniens" (comme l'eau, l'air et la plupart des gaz) et celle des fluides "non

newtoniens" (quasiment tout le reste... le sang, les gels, les boues, les pâtes, les

suspensions, les émulsions...). Les fluides "newtoniens" ont une viscosité

constante ou qui ne peut varier qu'en fonction de la température. La deuxième

famille est constituée par les fluides "non newtoniens" qui ont la particularité d'avoir

leur viscosité qui varie en fonction de la vitesse et des contraintes qu'ils subissent

lorsque ceux-ci s'écoulent. Ce cours est limité uniquement à des fluides

newtoniens qui seront classés comme suit.

2.1 Fluide parfait

Soit un système fluide, c'est-à-dire un volume délimité par une surface fermée Σ

fictive ou non.

Σ

nr

r NFd

dS

r Fd

r TFd

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

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Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

r Considérons Fd normale nr entre le fluide et le milieu extérieur.

la force d’interaction au niveau de la surface élémentaire dS de

r On peut toujours décomposer Fd

en deux composantes:

- une composante

- une composante

r TFd r NFd

tangentielle à dS.

normale à dS.

En mécanique des fluides, un fluide est dit parfait s'il est possible de décrire son

mouvement sans prendre en compte les effets de frottement. C’est à dire quand la

composante

r TFd

r est nulle. Autrement dit, la force Fd

est normale à l'élément de

surface dS.

2.2 Fluide réel

Contrairement à un fluide parfait, qui n’est qu’un modèle pour simplifier les calculs,

pratiquement inexistant dans la nature, dans un fluide réel les forces tangentielles

de frottement interne qui s’opposent au glissement relatif des couches fluides sont

prise en considération. Ce phénomène de frottement visqueux apparaît lors du

mouvement du fluide.

C’est uniquement au repos, qu’on admettra que le fluide réel se comporte comme

un fluide parfait, et on suppose que les forces de contact sont perpendiculaires aux

éléments de surface sur lesquels elles s’exercent. La statique des fluides réels se

confond avec la statique des fluides parfaits.

2.3 Fluide incompressible

Un fluide est dit incompressible lorsque le volume occupé par une masse donné ne

varie pas en fonction de la pression extérieure. Les liquides peuvent être

considérés comme des fluides incompressibles (eau, huile, etc.)

2.4 Fluide compressible

Un fluide est dit compressible lorsque le volume occupé par une masse donnée

varie en fonction de la pression extérieure. Les gaz sont des fluides compressibles.

Par exemple, l’air, l’hydrogène, le méthane à l’état gazeux, sont considérés comme

des fluides compressibles.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 3

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

33 CCAARRAACCTTEERRIISSTTIIQQUUEESS PPHHYYSSIIQQUUEESS

3.1 Masse volumique

=ρ

m V

où : ρ : Masse volumique en (kg/m3),

m : masse en (kg), V : volume en (m3).

Exemples :

Publicité

Fluide

Benzène Chloroforme Eau Huile d’olive Mercure Air Hydrogène Méthane

Masse volumique ρ(kg/m3) 0,880. 103 1,489. 103 103 0,918. 103 13,546. 103 0,001205. 103 0,000085. 103 0,000717. 103

Type de fluide

Incompressible

compressible1

3.2 Poids volumique

ϖ

=

. gm V

=

. ρ

g

ϖ : Poids volumique en (N/m3).

m : masse en (kg), g : accélération de la pesanteur en (m/s2), V : volume en (m3).

3.3 Densité

d

=

masse volumique

volumique d'

du fluide

un

fluide de

référence

masse

=

ρ ρ ref

Dans le cas des liquides en prendra l’eau comme fluide de référence. Dans le cas

des gaz on prendra l’air comme fluide de référence.

1 Ces valeurs sont prise à titre indicatif dans les conditions normales de pression et de température.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 4

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

3.4 Viscosité

C’est une grandeur qui caractérise les frottements internes du fluide, autrement dit

sa capacité à s’écouler. Elle caractérise la résistance d'un fluide à son écoulement

lorsqu'il est soumis à l'application d'une force. C’est à dire, les fluides de grande

viscosité résistent à l'écoulement et les fluides de faible viscosité s'écoulent

facilement. Elle peut être mesurée par un viscosimètre à chute de bille, dans lequel

en mesure le temps écoulé pour la chute d’une bille dans le fluide. Elle peut

également être mesurée par un récipient dont le fond comporte un orifice de taille

standardisée. La vitesse à laquelle le fluide s'écoule par cet orifice permet de

déterminer la viscosité du fluide.

La viscosité est déterminée par la capacité d'entraînement que possède une

couche en mouvement sur les autres couches adjacentes.

Par exemple, si on considère un fluide visqueux placé entre deux plaques P1 et P2,

tel que la plaque P1 est fixe et la plaque P2 est animée d’une vitesse 2V .

Z

Plaque P2

2V

ZΔ

V Δ+

V

F

V

Plaque P1 fixe

Si on représente par un vecteur, la vitesse de chaque particule située dans une

section droite perpendiculaire à l'écoulement, la courbe lieu des extrémités de ces

vecteurs représente le profil de vitesse. Le mouvement du fluide peut être

considéré comme résultant du glissement des couches de fluide les unes sur les

autres. La vitesse de chaque couche est une fonction de la distance Z. On

distingue la viscosité dynamique et la viscosité cinématique.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 5

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

•

Viscosité dynamique

La viscosité dynamique exprime la proportionnalité entre la force qu'il faut exercer

sur une plaque lorsqu'elle est plongée dans un courant et la variation de vitesse

des veines de fluide entre les 2 faces de la plaque. ...Elle est exprimée par un

coefficient représentant la contrainte de cisaillement nécessaire pour produire un

gradient de vitesse d'écoulement d'une unité dans la matière.

Considérons deux couches de fluide adjacentes distantes de Δz. La force de

frottement F qui s'exerce à la surface de séparation de ces deux couches s'oppose

au glissement d'une couche sur l'autre. Elle est proportionnelle à la différence de

vitesse des couches soit Δv, à leur surface S et inversement proportionnelle à Δz :

Le facteur de proportionnalité μ est le coefficient de viscosité dynamique du fluide.

F

=

.μ S

.

Δ Δ

V Z

*

où :

F : force de glissement entre les couches en (N),

μ : Viscosité dynamique en (kg/m.s),

S : surface de contact entre deux couches en (m2),

VΔ : Écart de vitesse entre deux couches en (m/s),

ZΔ : Distance entre deux couches en (m).

Remarque : Dans le système international (SI), l'unité de la viscosité dynamique

est le Pascal seconde (Pa⋅s) ou Poiseuille (Pl) : 1 Pa⋅s = 1 Pl = 1 kg/m⋅s

Exemple :

Fluide

eau (0 °C) eau (20 °C) eau (100 °C) Huile d'olive (20 °C) glycérol (20 °C) Hydrogène (20 °C) Oxygène (20 °C)

μ(Pa·s) 1,787·10–3 1,002·10–3 0,2818·10–3 ≈ 100·10–3 ≈ 1000·10–3 0,86·10–5 1,95·10–5

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 6

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

•

Viscosité cinématique

υ =

μ ρ

L'unité de la viscosité cinématique est le (m2/s).

Remarque 1 (unité):

On utilise souvent le Stokes (St) comme unité de mesure de la viscosité

cinématique. 1 St= 10-4 m2/s Remarque 2 (Influence de la température) :

Lorsque la température augmente, la viscosité d'un fluide décroît car sa densité

diminue.

Remarque 3 (différence entre viscosité dynamique et viscosité cinématique)

La viscosité cinématique caractérise le temps d'écoulement d’un liquide. Par

contre, la viscosité dynamique correspond à la réalité physique du comportement

d’un fluide soumis à une sollicitation (effort). En d’autre terme, cette dernière

exprime la « rigidité » d’un fluide à une vitesse de déformation en cisaillement (voir

la relation * à la page 6).

44 CCOONNCCLLUUSSIIOONN

Les fluides peuvent être classés en fluides parfaits (sans frottement), fluides

réels

(avec

frottement), fluides incompressibles

(liquides) et fluides

compressibles (gaz). Les fluides sont caractérisés par les propriétés suivantes: la

masse volumique, le poids volumique, la densité et la viscosité. Ces propriétés

seront utilisées ultérieurement.

Le comportement mécanique et

les propriétés physiques des

fluides

compressibles et ceux des fluides incompressibles sont différents. En effet, les lois

de la mécanique des fluides ne sont pas universelles. Elles sont applicables

uniquement pour une classe de fluides donnée. Conformément à la classification

qui a été faite, les lois relatives à chaque type de fluides seront exposées dans la

suite du cours d’une façon indépendante.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 7

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

55 EEXXEERRCCIICCEESS DD’’AAPPPPLLIICCAATTIIOONN

EExxeerrcciiccee NN°°11::

11 ENONCE

Déterminer le poids volumique de l’essence sachant que sa densité d=0,7.

On donne : - l’accélération de la pesanteur g=9,81 m/s2

- la masse volumique de l’eau

=ρ

1000

mkg /

3

22 REPONSE

.ρϖ = d .

g

A.N.

=ϖ

.7,0

1000

81,9.

=

6867

mN /

3

EExxeerrcciiccee NN°°22::

11 ENONCE

Calculer le poids P0 d’un volume V=3 litres d’huile d’olive ayant une densité

d=0,918.

22 REPONSE

Po

.ρ= . gVd

.

A.N.

Po

=

.918,0

1000

10.3.

3 − 81,9.

=

27

N

EExxeerrcciiccee NN°°33:: EEXXTTRRAAIITT DDEE LL’’EEXXAAMMEENN DDUU 2233--0066--22000033

11 ENONCE

Quelle est l’influence de la température sur la viscosité ?

22 REPONSE

Si la température augmente la viscosité diminue, et inversement.

EExxeerrcciiccee NN°°44:: EEXXTTRRAAIITT DDEE LL’’EEXXAAMMEENN DDUU 1155--0011--22000044

11 ENONCE

Convertir le stockes en m2/s.

22 REPONSE

Conversion du stockes :

1

Publicité

Stockes

=

10

4−

2 / sm

EExxeerrcciiccee NN°°55:: EEXXTTRRAAIITT DDEE LL’’EEXXAAMMEENN DDUU 2244--0066--22000044

11 ENONCE

Expliquer le principe de mesure d'un viscosimètre à chute de bille.

22 REPONSE

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 8

Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides

La viscosité cinématique est proportionnelle au temps mis par une bille sphérique

en chute pour descendre au fond d’un tube contenant un fluide de viscosité

inconnue.

EExxeerrcciiccee NN°°66:: EEXXTTRRAAIITT DDUU DDEEVVOOIIRR SSUURRVVEEIILLLLEE DDUU 2211--0044--22000033

11 ENONCE

Déterminer la viscosité dynamique de l’huile d’olive sachant que sa densité est

0,918 et sa viscosité cinématique est 1,089 Stockes.

22 REPONSE

υρμ .=

A.N.

μ

=

10.089,1.918

4 = −

1,0

sPa.

EExxeerrcciiccee NN°°77::

11 ENONCE

Du

fuel

porté

à

une

température

T=20°C

a

une

viscosité

dynamique

=μ

10.95

3−

sPa.

. Calculer sa viscosité cinématique υ en stockes

sachant que sa densité est d=0,95.

On donne la masse volumique de l’eau est

eau =ρ

1000

mkg /

3

22 REPONSE

ν =

μ deau .ρ

A.N.

ν

=

10.95

3 −

1000

95,0.

=

10.1

−

4

2 / sm

=

1

stockes

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

Page: 9

CChhaappiittrree 22 :: SSTTAATTIIQQUUEE DDEESS FFLLUUIIDDEESS

11

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN Lors d’une plongée sous marine, on constate que la pression de l’eau augmente

avec la profondeur. La pression d’eau exercée sur un sous-marin au fond de

l’océan est considérable. De même, la pression de l’eau au fond d’un barrage est

nettement plus grande qu’au voisinage de la surface. Les effets de la pression

doivent être pris en considération lors du dimensionnement des structures tels que

les barrages, les sous marins, les réservoirs… etc. Les ingénieurs doivent calculer

les forces exercées par les fluides avant de concevoir de telles structures.

Ce chapitre est consacré à l’étude des fluides au repos. Les lois et théorèmes

fondamentaux en statique des fluides y sont énoncés. La notion de pression, le

théorème de Pascal, le principe d’Archimède et la relation fondamentale de

l’hydrostatique y sont expliqués.

Le calcul des presses hydrauliques, la détermination de la distribution de la

pression dans un réservoir…etc., sont basés sur

les

lois et

théorèmes

fondamentaux de la statique des fluides.

22 NNOOTTIIOONN DDEE PPRREESSSSIIOONN EENN UUNN PPOOIINNTT DD’’UUNN FFLLUUIIDDEE

La pression est une grandeur scalaire. C’est l’intensité de la composante normale

de la force qu’exerce le fluide sur l’unité de surface.

Elle est définie en un point A d’un fluide par l’expression suivante :

r NFd

dS

A

nr

10

Chapitre 2 : Statique des fluides

dF N

dS

P A =

où :

dS : Surface élémentaire de la facette de centre A (en mètre carré),

n : Vecteur unitaire en A de la normale extérieure à la surface,

NdF : Composante normale de la force élémentaire de pression qui s’exerce sur la

surface (en Newton),

PA : pression en A (en Pascal),

Sur la surface de centre A, d’aire dS, orientée par sa normale extérieure n , la force

de pression élémentaire dF s’exprime par :

dF N

.−= . ndSP A

Exemple : Chaque cm2

de surface de notre peau supporte environ 1 kg (force)

représentant le poids de l'atmosphère. C'est la pression atmosphérique au niveau

de la mer. Nous ne la ressentons pas car notre corps est incompressible et ses

cavités (estomac, poumons, etc. ) contiennent de l'air à la même pression.

Si on s'élève de 5 000 m, la pression atmosphérique est deux fois plus faible qu'au

niveau de la mer car la masse d'air au-dessus de notre tête est alors moitié

moindre. D’où la nécessité d’une pressurisation des avions.

En plongée sous-marine, pour mesurer la pression, on utilise le plus souvent le bar: 1 bar = 1 kg / cm2.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

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Chapitre 2 : Statique des fluides

Plus on descend en profondeur, plus la pression est élevée car il faut tenir compte du poids de l'eau au-dessus de nous : à 10 mètres de profondeur, chaque cm2

de

notre peau supportera un poids égal à :

1 cm2 X 10 m (profondeur) = 1 cm2 X 100 cm = 1000 cm3 = l’équivalent du poids

d’1 litre d’eau. Le poids d’un litre d’eau douce est égal à 1kg. Le poids d’un litre

d’eau de mer est un plus important (à cause du sel qu’elle contient) : 1,026 kg.

En négligeant cette différence, on considérera que de manière générale un litre

d'eau pèse 1 kg.

Par conséquent, la pression due à l'eau à 10 m de profondeur est donc de 1 kg / cm2, c'est-à-dire 1 bar. Si on descend à nouveau de -10 m, la pression augmentera

à nouveau de 1 bar. C’est ce qu’on appelle la pression hydrostatique (pression due

à l'eau). On l'appelle aussi pression relative car c'est une pression par rapport à la

surface.

La pression hydrostatique (comme la pression atmosphérique) s’exerce dans

toutes les directions (et pas simplement de haut en bas).

Remarque :

L’unité internationale de pression est le Pascal : 1 Pa = 1 N/m². Cette unité est

très petite. On utilise le plus souvent ses multiples. En construction mécanique,

résistance des matériaux , etc.,l’unité utilisée est le méga pascal : 1 MPa= 1 N/mm2=106 Pa

En mécanique des fluides on utilise encore très souvent le bar. Le bar est égal à

peu près à la pression atmosphérique moyenne : 1 bar = 105 Pa.

33 RREELLAATTIIOONN FFOONNDDAAMMEENNTTAALLEE DDEE LL’’HHYYDDRROOSSTTAATTIIQQUUEE

Considérons un élément de volume d’un fluide incompressible (liquide homogène

de poids volumiqueϖ). Cet élément de volume a la forme d’un cylindre d’axe (G,

r u ) qui fait un angle α avec l’axe vertical (O, Z ) d’un repère R(O, X

r ,Y

r , Z

). Soit l la

longueur du cylindre et soit dS sa section droite.

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

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Chapitre 2 : Statique des fluides

Z

Z2

Z1

r 2Fd

G2

dS

u

r iFd

α

G

l

G1

r 1Fd

r oPd

Soit G1 d’altitude Z1 et G2 d’altitude Z2, les centres des sections droites extrêmes.

Etudions l’équilibre du cylindre élémentaire, celui-ci est soumis aux :

- actions à distance : son poids :

dPO ϖ−=

ZdSl

- actions de contact : forces de pression s’exerçant sur :

o

la surface latérale : Σ idF .

o

les deux surfaces planes extrêmes :

dF 1

−=

dSP . 1

.(

u −

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)

=

udSP . . 1

et

dF 2

−=

udSP .2 .

.avec P1 et P2 les pressions du fluide respectivement en G1

et en G2.

Le cylindre élémentaire étant en équilibre dans le fluide, écrivons que la résultante

des forces extérieures qui lui sont appliquées est nulle :

dP O

Σ+

dF i

+

dF 1

+

dF 2

=

0

En projection sur l’axe de symétrie (G, u ) du cylindre,

−

ϖ

dSl ..

.

cos

α

+

dSP . 1

−

dSP . 2

=

0

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

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Chapitre 2 : Statique des fluides

Exprimons la différence de pression P1 – P2 après avoir divisé par dS et remarqué

que

l

cos ⋅ α

=

Z

−

Z 1

2

PP − 2 1

=

.( ϖ

Z

−

Z 1

)

2

=

ρ

( Zg

−

Z 1

)

2

: Relation fondamentale de l’hydrostatique.

Autre forme plus générale :

En divisant les deux membres de la relation précédente par ϖ :

P 1 ϖ

+

Z 1

=

P 2 ϖ

+

Z

2

. Ou encore

P 1 g ρ

+

Z 1

=

P 2 g ρ

+

Z

2

Comme G1 et G2 ont été choisis de façon arbitraire à l’intérieur d’un fluide de poids

volumiqueϖ, on peut écrire en un point quelconque d’altitude Z, ou règne la

pression p :

P ϖ

+

Z

=

P g ρ

+

Z

=

Cte

44 TTHHEEOORREEMMEE DDEE PPAASSCCAALL

4.1 Enoncé

Dans un fluide incompressible en équilibre, toute variation de pression en un

point entraîne la même variation de pression en tout autre point.

4.2 Démonstration

Supposons qu’au point G1 intervienne une variation de pression telle que celle-ci

devienne

P Δ+ 1

P 1

.

1PΔ étant un nombre algébrique. Calculons la variation de

pression

2PΔ qui en résulte en G1.

Appliquons la relation fondamentale de l’hydrostatique entre G1 et G2 pour le fluide

o à l’état initial:

( PP − ϖ = 2 1

Z

2

−

Z 1

)

(1)

o à l’état final :

(

P 1

Δ+

P 1

)

−

(

P 2

Δ+

P 2

)

=

.( ϖ

Z

−

Z 1

)

2

(2)

En faisant la différence entre les équations (2) et (1) on obtient :

=Δ−Δ

P 2

P 1

0

.

D’où

P Δ=Δ 1

P 2

Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA

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Chapitre 2 : Statique des fluides

55 PPOOUUSSSSEEEE DD’’UUNN FFLLUUIIDDEE SSUURR UUNNEE PPAARROOII VVEERRTTIICCAALLEE

5.1 Hypothèses

r La paroi verticale possède un axe de symétrie (G,Y

). G est son centre de surface.

D’un coté de la paroi il y a un fluide de poids volumiqueϖ, de l’autre coté, il y a de

l’air à la pression atmosphérique Patm. On désigne par PG la pression au centre de

surface G du coté fluide.

r Y

dS

dF

M

G

Go

y

yo

r X

5.2 Eléments de réduction du torseur des forces de pression

Connaissant la pression PG au point G, la pression PM au point M est déterminée

en appliquant la relation fondamentale de l’hydrostatique :

P M

−

P G

=

.( ϖ

Y G

−

Y M

)

r Dans le repère (G, X

r , Y

r , Z

) défini sur la figure : yG=0 et yM =y, donc

P M

=

P G

.ϖ−

y

Exprimons la force de pression en M : Soit {

pousséeτ

}

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le torseur associé aux forces de pre