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PIERRE-LOUIS VIOLLET • JEAN-PAUL CHABARD PASCAL ESPOSITO • DOMINIQUE LAURENCE M

PIERRE-LOUIS VIOLLET • JEAN-PAUL CHABARD PASCAL ESPOSITO • DOMINIQUE LAURENCE Mécanique des fluides appliquée Écoulements incompressibles dans les circuits, canaux et rivières, autour des structures et dans l’environnement DANS LA MÊME COLLECTION P.-L. VIOLLET, Mécanique des fluides à masse volumique variable, Presses des Ponts et Chaussées, 1997. En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de l’auteur, de son éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (CFC, 6, quai des Grands-Augustins, 75006 Paris). © 1998 ISBN 2-85978-301-6 28, rue des Saints-Pères 75007 Paris Remerciements Cet ouvrage résulte de la refonte du cours de Mécanique des fluides appliquée de l’École nationale des ponts et chaussées. Il bénéficie de l’expérience de nombreuses années d’enseignement ainsi que, à plus d’un titre, des contributions de tous ceux qui ont participé aux travaux de cette équipe enseignante au cours des dernières années. En premier lieu, nous sommes redevables à André Daubert et Jean-Pierre Benqué qui ont enseigné la mécanique des fluides à certains d’entre nous, et qui ont animé avant nous cette équipe. Nous remercions également tous les « anciens » enseignants qui pourront retrouver, ici ou là, dans ce livre, les traces de leurs pas : François Boulot, Raymond Cointe, Gérard Labadie, Alain Hauguel, Jean-François Malherbe, Rémi Pochat. Notre reconnaissance va aussi à nos collègues plus jeunes qui ont enrichi ce cours, qui nous ont aidé de leurs avis, qui nous ont fourni des illustrations ou qui ont relu le manuscrit pour en extirper les erreurs : Georges Balzer, Elisabeth Ben Slama, Olivier Dauchot, Danièle Garreton, Patricia Ern, Alexandre Ern, Olivier Simonin, Alain Petitjean. De nombreuses illustrations de ce livre proviennent du Laboratoire national d’hydraulique de la direction des Études et Recherches d’EDF (DER), laboratoire par lequel nous sommes tous les quatre passés et que certains d’entre nous ont dirigé. C’est l’ensemble du personnel de ce laboratoire que nous remercions également ici. Merci en particulier à Jean-Michel Hervouet pour les illustrations de calculs d’écou- lements à surface libre (chapitre 6), et à Bertrand Carissimo du département Envi- ronnement de la DER pour sa contribution aux illustrations et aux références du chapitre 5. V Sommaire Préface de Forrest M. Holly VII Avant-propos X Notations XII Chapitre 1. Les notions fondamentales à travers l’histoire de leur découverte (introduction aux écoulements incompressibles) 1 Chapitre 2. Turbulence et modélisation des écoulements turbulents 67 Chapitre 3. Écoulements permanents dans les circuits et réseaux de tuyauteries 137 Chapitre 4. Efforts induits par les écoulements sur les structures 166 Chapitre 5. Les écoulements à la surface du globe. Écoulements géophysiques. Écoulements à surface libre 196 Chapitre 6. Les écoulements transitoires dans les canaux et rivières 238 Chapitre 7. Écoulements permanents et transport de sédiments dans les canaux et rivières 316 Bibliographie 354 Index 361 Table des matières 364 V I I Préface Computational hydraulics, computational fluid dynamics, and hydroinformatics have invaded virtually all domains of research and application in hydroscience and fluids engineering. To the extent that this invasion has led to improved understanding of complex fluid phenomena and provided a frame of reference for testing and verifying designs and operational schemes, we have all benefited from it. But to the extent that it has shifted attention away from fundamental descriptions and understanding of fluid phenomena, and toward computational and numerical issues, this invasion has left a void in the scientific and technical literature. This void exists somewhere between student exposure to first principles of solid and fluid mechanics on the one hand, and advanced- student and researcher/practitioner exposure to computational techniques and applications on the other. This new text naturally and refreshingly steps in to fill this void, and as such is a most welcome addition to the literature and to personal and institutional libraries. The text is refreshing in its innovative and careful attention to setting the historical framework of general and specific topics. This is most notable in the first chapter, which very gracefully and efficiently leads the reader through historical developments to contemporary mathematical statements of basic fluid phenomena. Once the authors Le calcul numérique en hydraulique et en mécanique des fluides, l’hydro-informatique, ont pratiquement envahi tous les domaines de recherches et d’applications en sciences de l’eau et en ingénierie des fluides. Nous en avons tous bénéficié, dans la mesure où cette invasion a permis une meilleure compréhension de phénomènes complexes dans les fluides, et a fourni un référentiel pour tester et vérifier les concepts et leurs schémas opérationnels. Mais, dans la mesure où l’effort s’est déplacé de la description fine des phénomènes fluides vers les aspects numériques et informatiques du calcul, cette invasion a provoqué un vide dans la littérature scientifique et technique. Ce vide se trouve quelque part entre l’exposé didactique des principes fondamentaux de la mécanique des solides et des fluides, et la confrontation de l’étudiant déjà avancé, du chercheur et du praticien, avec les techniques du calcul numérique et avec les applications. Ce nouvel ouvrage vient avec bonheur combler ce vide ; il a sa place dans les bibliothèques comme dans notre documentation personnelle. Ce livre est d’un abord particulièrement agréable en ce qu’il met en scène, de façon très soignée autant que novatrice, le contexte historique des différents concepts. C’est dans le premier chapitre que cet effort est le plus remarquable, en guidant le lecteur d’une manière pédagogique et élégante à travers les évolutions historiques jusqu’à la description mathématique contemporaine des MÉCANIQUE DES FLUIDES APPLIQUÉE V I I I have established this foundation of fundamental principles, they tie each succeeding chapter back into the introduction with appropriate and supportive historical contexts. Although the text does not shy away from rigorous analytical descriptions of fluid phenomena, it is unique in providing this delightful historical context for each topic. The authors have also made a special effort to tie the chapters together into a unified whole, with ample references forward and back ; this is indeed rare, and much appreciated, in a text of multiple authorship. The topics treated and chapter structures reflect the authors’professional preoccupation with real-world problems. Yet the presentations focus on fundamentals, aimed squarely at the needs of advanced students, researchers, and professionals. Each chapter includes a section on problems and applications, providing further illustration and amplification of fundamental concepts through application to real-world situations and problems. The organization of this text is not traditional, and bears witness to the authors’professional preoccupation with real-world problems. For example, the lack of universal descriptions of turbulence and its effective mathematical and physical conceptualization is a continuing, fundamental stumbling block in most areas of hydroscience and fluids engineering. The authors therefore tackle the turbulence problem in the very first technical chapter of the book, providing a frame of reference for the necessary empirical and quasi-analytical descriptions of turbulence in subsequent chapters. This chapter could be a textbook in itself, providing a very comprehensive and detailed description of the problem and attempts to resolve it. The material of the next chapter on steady flow in conduits follows naturally from, and builds on, the previous material on phénomènes généraux de la mécanique des fluides. Après avoir établi les fondements des principes généraux, les auteurs replacent les chapitres qui suivent dans ce contexte. Le discours ne craint pas de recourir aux descriptions analytiques rigoureuses des phénomènes, et sa grande originalité, réside encore une fois, en ce qu’il situe d’une façon très agréable chaque sujet dans son contexte historique. Les auteurs se sont également efforcés de produire un ensemble cohérent, en établissant tous les liens nécessaires entre les chapitres, avec de nombreuses références croisées – chose trop peu fréquente dans un livre écrit par plusieurs auteurs. Les sujets abordés et la structure du livre elle-même, reflètent les préoccupations professionnelles des auteurs, en relation avec les applications pratiques. Mais la présentation du sujet se concentre sur les aspects fondamentaux, directement orientés vers les besoins des étudiants avancés, des chercheurs et des professionnels. Chaque chapitre comprend des problèmes et des applications, ce qui contribue à mieux illustrer encore les concepts fondamentaux en montrant comment ils s’appliquent aux situations réelles. Le plan du livre rompt avec la tradition, ce qui témoigne du souci des auteurs de traiter de problèmes réels. Ainsi, l’absence de description universelle de la turbulence, et sa traduction en concepts mathématiques et physiques, sont les pierres d’achoppement majeures, permanentes, dans la plupart des domaines des sciences de l’eau et de l’ingénierie des fluides. Les auteurs ont donc choisi de s’attaquer au problème de la turbulence dès le premier chapitre proprement technique du livre, ce qui procure un cadre de référence pour les descriptions empiriques ou semi-analytiques de la turbulence qui sont utilisées dans les chapitres suivants. Ce chapitre, qui fournit une description détaillée et claire du problème, avec les tentatives pour le résoudre, pourrait être un livre à lui seul. La matière du chapitre suivant, qui concerne les écoulements permanents dans les conduites, s’appuie sur les concepts fondamentaux et sur la description de la turbulence uploads/Geographie/ mecanique-des-fluides-appliquee.pdf