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Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA

Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 1 Chapitre1 : Propriétés des fluides 1) Introduction : La Mécanique Des Fluides (MDF) c’est l’étude des fluides :  Au repos, c’est la statique des fluides.  En mouvement, on parle alors de la dynamique des fluides, La MDF étudie aussi les effets des fluides sur les limites qui peuvent être des :  Surfaces solides comme les conduites, les barrages, réservoirs,…  Interfaces avec d’autres fluides comme les mélanges gaz-liquides, gaz-gaz,… Le nombre d’applications faisant intervenir les fluide en engineering est énorme, on cite par exemple : La respiration, l’écoulement du sang, la natation, les pompes, les hélices, les ventilateurs, les avions, les bateaux, les rivières, les pipes, les missiles, les icebergs, les moteurs, les filtres et les jets,... Barrage Beni Haroun Vérin hydraulique Ecoulement de l’eau Ecoulement du sang CFD (avion, voiture) Turboréacteur et pipelines Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 2 On peut remarquer que la plupart des objets sur la planète sont fluides où se déplaçant prés de fluides. L’écoulement d’un fluide est une branche de la mécanique, il obéit aux lois de la mécanique. Les deux grands obstacles de la théorie des fluides sont  La géométrie  La viscosité Exemple de géométrie complexe Fluides à différentes viscosités Dans les géométries complexes, les équations du mouvement d’un fluide sont très difficiles à résoudre. La plupart des livres se concentrent sur les géométries simples telles que les plaques, les tubes circulaires et d’autres géométries simples. Il reste cependant possible de résoudre les équations pour les géométries complexes numériquement par ordinateur, cette branche de la MDF est dite CFD (Computational Fluid Dynamics) ou mécanique des fluide numérique Le second obstacle de la MDF est la viscosité et son action, elle peut être négligée seulement dans les cas d’un fluide idéal. L’intervention de la viscosité déstabilise l’écoulement des fluides et donne des écoulements turbulents ce qui augmente la difficulté des équations qui décrivent le phénomène. 2) Définition d’un fluide En général, la matière existe en trois états pour un corps simple :  Solide ou matériau à faible température,  Liquide qui est un matériau à température moyenne et pression suffisamment élevée,  Gaz ou matériau à température suffisamment élevée à faible pression. Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 3 Etats de la matière Exemple de l’eau Les états gazeux et liquide présentent des similarités, on les appelle les fluides. Un fluide a les caractéristiques suivantes :  Il n’a pas de forme propre, s’il est placé dans un récipient, il adopte la forme du récipient.  Un liquide a une surface libre dans le champ de gravité, si on place un liquide dans un bol, on observe une interface nette avec l’air appelée surface libre. Un gaz à tendance à occuper tout le volume qui s’offre à lui, donc le gaz n’a pas de surface libre. Un gaz occupant un espace Surface libre d’un liquide Corp solide  Un solide peut résister à une contrainte de déformation ; par contre le fluide ne peut pas. N’importe quelle contrainte même petite, appliquée au fluide, engendre un mouvement du fluide. Ce dernier se déplace et se déforme en continu tant que la contrainte est appliquée. Comme corolaire, ou peut dire qu’un fluide au repos doit être à l’état de contrainte de déformation nul. Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 4 Comme on a vu, les fluides se devisent en deux classes qui sont les liquides et les gaz :  Un liquide est composé de molécules relativement proches et empilées avec des forces cohésives fortes. Ces dernières tentent à maintenir le volume et forment une surface libre dans le champ de gravité.  Un gaz à des molécules espacées avec des forces cohésives négligeables, le gaz est libre de se détendre jusqu'à occuper tout de volume, il ne peut pas former une surface libre. La plupart des problèmes d’engineering de mécanique des fluides concernent :  Les liquides comme l’eau, l’huile, mercure, gasoil, l’alcool, ….  Les gaz tels que l’air, l’hélium, hydrogène, la vapeur …. 3) Matières divisées : dispersions, suspensions, émulsions : En réalité, les fluides (liquides ou gaz) ne sont jamais à l’état pur. Généralement, on rencontre des fluides ou des phases (mélanges) qui coexistent en équilibre thermodynamique. Dans les liquides, ces phases sont caractérisées par la présence de particules qui peuvent être des bulles de gaz, particules solides, gouttelettes, …. Ce mélange implique la présence d’une multitude d’interfaces entre le liquide (phase continue) et les particules (phase dispersée), qui peuvent radicalement changer la nature du mélange. On peut classifier les mélanges liquides-particules comme suit : Les dispersions : Ce sont des mélanges de particules très fines (taille inférieure à 1 micromètre (1 µ m = 10-6 m)). Ce sont souvent des colloïdes de particules telles que les argiles. Les dispersions ne sédimentent (déposent) pas spontanément, par exemple, il très difficile de filtrer une eau contenant des particules argileuses fines. En revanche, ce sont des mélanges très sensibles chimiquement à tout ce qui peut modifier la nature des interactions entre particules. Par exemple la modification du PH affecte le comportement des interfaces des particules ce qui produit des variations brutales du comportement mécanique à l’échelle macroscopique. Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 5 Dispersions qui ne sédimentent pas (colloïdes) Les suspensions : En général, les suspensions sont des particules fines où grossières (taille supérieure à 1 µ m), sans interaction entre elles. Les suspensions se sédimentent et peuvent être filtrés mécaniquement. Elles sont peu sensibles aux variations chimiques du liquide. Exemple de suspension Exemple d’émulsion Les émulsions : Ce sont des mélanges de fines gouttelettes d’un liquide dans un autre. Les émulsions en gel sont des émulsions très concentrées où les gouttelettes ne peuvent quasiment pas se déplacer les unes par rapport aux autres. Puisque la plupart des liquides sont non miscibles, les émulsions sont très courantes. La physique de ces mélanges et dictée par le comportement des interfaces. Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 6 4) Fluide parfait et fluide réel : Dans un fluide il y a deux types de forces : Forces de volume et forces de surface.  Les forces de volume sont celles engendrées par un champ, par exemple les champs de gravité, électrique, magnétique, …  Les Forces de surface se divisent en forces de frottement et de pression.  Les forces de frottement sont causées par la viscosité, elles sont tangentielles à la surface.  Les forces produites par la pression sont normales à la surface. Un fluide parfait est un fluide où il n’y a pas de frottement, c'est-à-dire que la viscosité est nulle ou négligeable. Si en plus on néglige les forces de volume, cela implique que les forces internes à n’importe quelle section du fluide sont normales à cette section, même pendant le mouvement. Alors les forces sont engendrées par la pression, un tel fluide n’existe pas en réalité. Un fluide réel est un fluide dans lequel les forces tangentielles où de cisaillement sont présentes lors de son mouvement (écoulement), cela augmente le frottement du fluide, car ces forces s’opposent au mouvement des particules les unes par rapport aux autres. Ces forces de frottement sont dues à la viscosité du fluide. (a) Force de frottement (b) Force de pression (a) Fluide parfait (b) Fluide réel Chapitre 1 : Propriétés des fluides Cours de MDF (Texte) pour 2eme ST ULBM FSSA 7 5) Viscosité d’un fluide : La viscosité d’un fluide et la mesure de sa résistance à la déformation angulaire. Les forces de frottement dans un fluide sont le résultat de la cohésion et l’échange de la quantité de mouvement entre les molécules du fluide. Pour les liquides, la force cohésive entre les molécules est prédominante. L’augmentation de la température diminue cette force, ce qui diminue la viscosité. Par contre pour les gaz c’est l’inter-échange des molécules entre les différentes couches qui prédomine. Cet inter-échange augmente avec la température ce qui met en contact les particules chaudes rapides avec celles froides lentes. Le résultat est la diminution du mouvement général et l’augmentation de la viscosité. Lorsque la température augmente :  La viscosité des liquides diminue,  La viscosité des gaz augmente : Variation de la viscosité en fonction de la température Pour étudier le phénomène de la viscosité, prenant deux plaques parallèles suffisamment larges de surface S et séparées par une distance (entrefer) h; l’espace entre les plaques est remplie par un fluide. La plaque inférieure est fixe, on applique une force F à celle supérieure qui se met en mouvement avec une vitesse v=vmax parallèlement à la plaque inférieure. On note que : F est proportionelle à S → F  S Aussi uploads/Geographie/ mdf-chapitre1.pdf