Mécanique des fluides pour les nuls

Qu’est-ce que la mécanique des fluides?

La mécanique des fluides est la branche de la mécanique appliquée (physique) qui traite de la façon dont les fluides se comportent, à la fois au repos et en mouvement.

MAIS QU’EST-CE QU’UN FLUIDE?

Un fluide est un matériau qui continuera à se déformer lorsqu’une contrainte de cisaillement agit sur lui.

Si un fluide coule, cela signifie qu’il doit être continuellement déformé. Ceci sépare les fluides des solides car les solides ne se déforment pas continuellement.

Types de fluides?

Bien que la plupart des fluides agissent toujours comme un fluide newtonien, comme les liquides et les gaz, certains fluides non newtoniens s’épaississent ou s’amincissent lorsqu’on leur applique une contrainte de cisaillement et, par conséquent, ils ne peuvent pas être analysés de la même façon que les fluides newtoniens peuvent.

Liquides?

L’eau qui coule d’un tuyau.

Des gaz?

Vapeur de camphre

Fluides non newtoniens?

La fécule de maïs et l’eau, un fluide non-newtonien célèbre.

Retour à la mécanique!
Il y a plus d’un type de mécanique des fluides, et ils se concentrent sur différents aspects du comportement des fluides.

Statique fluide?

La statique des fluides est l’aspect de la mécanique des fluides qui traite les fluides lorsqu’ils sont au repos. Cela signifie que tous les points dans le fluide ont une vitesse nulle.

La statique des fluides peut être utilisée pour expliquer pourquoi certains corps flottent sur l’eau, et pourquoi la surface de l’eau est toujours plate, peu importe le conteneur dans lequel elle est tenue.

Bois flottant sur l’eau.

Dynamique des fluides?

La dynamique des fluides est une branche beaucoup plus large de la mécanique des fluides qui traite des fluides en mouvement. Voici quelques exemples d’où il est utilisé lors de l’analyse sont fluides circulant dans un pipeline, par exemple, un tuyau.

Dans la dynamique des fluides, un certain nombre d’équations peuvent être introduites pour analyser le comportement du fluide, celles-ci seront discutées prochainement.

Fluide circulant autour d’une voiture
La cinématique des fluides est liée à la dynamique des fluides, en ce sens qu’elle concerne le mouvement des fluides, mais les forces impliquées dans le mouvement sont ignorées, ce qui en fait une analyse inexacte.

Un exemple commun:
Tuyau relié à un réservoir d’eau de pluie qui est utilisé pour arroser un jardin.

L’équation de Bernoulli:

L’équation de Bernoulli peut être utilisée pour analyser l’écoulement sans frottement et continu d’un fluide incompressible.

Chaque section de l’équation de Bernoulli exprime un type différent d’énergie comme indiqué ci-dessous:

P/rhoρ      +       V2/2         +       gz      =  énergie de flux constant      +    Énergie cinétique   +   Énergie potentielle

L’équation de Bernoulli indique que la somme des énergies de cinétique, potentiel et de flux d’une particule fluide est constante le long d’une ligne de courant pendant un écoulement constant.

Brisons-le:

P/rhoρ      +       V^2/2         +       gz      =   constant

Eh bien, va regarder chaque terme et décrire ce qu’ils signifient.

D’abord, nous allons regarder P/rhoρ – où P est la pression et rhoρ est la densité.

DENSITE:
Une densité d’une substance est sa masse par unité de volume. A l’échelle moléculaire, plus il y a d’atomes ou de molécules dans un volume donné, plus le matériau est dense.

Rho=m/V:
Généralement utilisé pour caractériser la masse d’un système de fluide.

PRESSION:
Définir comme la force normale par unité de surface exercée sur une surface plane immergée dans un fluide et est créée par le bombardement de la surface avec les molécules de fluide.

Pression absolue, atmosphérique et de jauge:

Pression absolue :
– Mesuré par rapport à la pression nulle absolue.

Pression atmosphérique :
– La pression absolue mesurée de l’atmosphère.

Pression manométrique:
– Pression relative à la pression atmosphérique locale.

Alors…
Nous pouvons voir que l’énergie d’écoulement dans un tuyau est affectée par le terme P / rho dans l’équation de Bernoulli. En supposant que la densité du fluide reste constante; la pression dans le tuyau détermine le débit. Si la pression est plus élevée, le débit est rapide. De même, si la pression est basse, le débit sera lent.
Nous allons maintenant regarder les termes V ^ 2/2 et gz.
Rappelles toi…
L’équation de Bernoulli:

P/rho + V^2/2 + gz = constant

La vitesse, V, est le taux de changement de déplacement (vitesse avec direction).

L’énergie cinétique est l’énergie qu’un objet a en raison de son mouvement. Ceci est déterminé par la vitesse, comme on le voit dans l’équation par le terme V ^ 2/2.

Si la vitesse augmente seulement d’une petite quantité, l’énergie cinétique augmentera considérablement.
Maintenant, nous allons regarder le dernier terme dans l’équation de Bernoulli – ‘gz’
g – L’accélération due à la gravité (9.8m / s ^ 2).
z – La hauteur relative de l’objet.

Comme le tuyau est dirigé vers le haut, la vitesse du fluide diminue puisque l’énergie cinétique est convertie en énergie potentielle (parce que la hauteur augmente). Ceci peut être vu en utilisant l’équation de Bernoulli, car l’énergie totale doit rester constante.

P/rho + V^2/2 + gz = Constant
L’équation de continuité:
Rho(1)A(1)V(1)=Rho(2)A(2)V(2)

Rho est la densité du fluide existant.
A est la section transversale du matériau.
V est la vitesse moyenne du fluide.
En supposant une densité constante, si la section d’une conduite devait augmenter dans une section, alors la vitesse de cette section devrait diminuer pour compenser cela. Au contraire, s’il y a une augmentation de la vitesse d’une section à l’autre, on sait que la zone a diminué pour permettre cela.

Comparez un tuyau qui utilise une buse et celui qui n’utilise pas de buse!

Alors…

Si un tuyau d’arrosage n’a pas de buse attachée à l’extrémité, la zone du tuyau reste constante tout au long du tuyau.

Ça a du sens, c’est vrai!

Par conséquent, lorsque l’eau s’écoule du tuyau, la vitesse est compatible avec le fluide qui circule dans le tuyau.
À présent…
Quand une buse est attachée à la fin, l’eau est poussée dans une zone plus petite. Cela permet à l’eau de sortir du tuyau à une vitesse plus élevée que le tuyau sans buse!

Pour Plus d’info, vous pouvez jeter un coup d’oeil à ce livre:

Expériences de physique – Optique, mécanique, fluides, acoustique

Image source: Emyr Jones, D&W Autos – Mechanic At Work (Bronze)