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ÉTIENNE GUYON, JEAN-PIERRE HULIN ET LUC PETIT CNRS ÉDITIONS A C T U E L S S A V

ÉTIENNE GUYON, JEAN-PIERRE HULIN ET LUC PETIT CNRS ÉDITIONS A C T U E L S S A V O I R S P H Y S I Q U E HYDRODYNAMIQUE PHYSIQUE 3e ÉDITION EDP SCIENCES Extrait de la publication Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Luc Petit Hydrodynamique physique 3e édition Préface de John Hinch S A V O I R S A C T U E L S EDP Sciences/CNRS ÉDITIONS Extrait de la publication Illustration de couverture : Visualisation de ﬁlets de colorant dans un ﬁlament de tourbillon (courtoisie P. Petitjeans). Imprimé en France. c ⃝2012, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A et CNRS ÉDITIONS, 15, rue Malebranche, 75005 Paris. Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utili- sation collective, et d’autre part, les courtes citations justiﬁées par le caractère scientiﬁque ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35. ISBN EDP Sciences 978-2-7598-0561-7 ISBN CNRS Éditions 978-2-271-07601-4 Extrait de la publication Préface La mécanique des ﬂuides a une longue histoire, mais elle reste un sujet jeune avec des découvertes récentes et de nombreuses applications qui touchent à la vie courante. Cette histoire est un déﬁlé de grands noms de la Science : au XVIIIe siècle les Bernoulli, Euler, Lagrange ; au XIXe, Cauchy, Navier, Stokes, Helmholtz, Rayleigh, Reynolds, et Lamb ; au XXe Couette, Prandtl, G.I. Taylor et Kolmogorov entre autres. Dans l’environnement naturel, nous pouvons nous ﬁer aux prévisions mé- téorologiques à cinq jours et aux alertes sur les tornades ; la réussite de longue date du calcul des marées s’étend aujourd’hui à la prédiction des tsunamis ; la connaissance des circulations océaniques et atmosphériques est appliquée à des problèmes tels que la pollution, le trou d’ozone et les changements clima- tiques. À l’intérieur de la Terre, la mécanique des ﬂuides joue un rôle crucial dans la convection du manteau, les volcans et leurs nuages de poussière, les gi- sements pétrolifères ainsi que pour l’évaluation de la possibilité de séquestrer le CO2. La mécanique des ﬂuides joue aussi un rôle clé dans nombre d’industries : la conception des avions est partie d’idées simples au début du XXe siècle pour aboutir à la ﬁn du siècle au développement d’ailes à faible trainée équipées d’ailettes et de fuselages améliorés. Dans le même temps, le bruit des réac- teurs a été réduit de façon spectaculaire grâce au principe du double ﬂux : une turbine concentrique de grand diamètre crée un écoulement froid masquant le jet rapide central. Des ﬂuides simples ou complexes sont utilisés pour pro- duire du verre et d’autres matériaux, ainsi que dans le génie chimique et les industries agroalimentaires. Récemment, les chercheurs en mécanique des ﬂuides se sont intéressés à la microﬂuidique qui permet de multiples analyses simultanées d’un petit échan- tillon biologique, ainsi qu’à l’impression à jet d’encre où le mouillage intervient sur des distances très petites, à la conception de bâtiments à haute eﬃcacité énergétique impliquant la convection naturelle et au contrôle des instabilités et de la turbulence. Une telle profusion d’idées et d’applications pose un déﬁquant à l’enseigne- ment du sujet. Certaines notions doivent être réservées à des cours spécialisées de Masters. Mais l’enseignement de base doit aider les étudiants à progresser vers des sujets plus avancés, présents et futurs. Extrait de la publication iv Hydrodynamique physique Les auteurs de ce livre ont adopté, à mon sens, l’approche et le style qui intéresseront et formeront les étudiants, les préparant ainsi pour le futur. Je crains que certaines des autres approches risquent fort d’échouer de ce point de vue. Ainsi, certains cours de formation d’ingénieurs dépendent trop fortement des simulations numériques, ce qui n’est pas sans risque dans le cas d’applications nouvelles. Les enseignements de caractère plus mathématique se heurtent souvent à des diﬃcultés considérables en cherchant à prouver si les équations gouvernant les systèmes étudiés ont ou n’ont pas de solution, même dans le cas apparemment simple de l’équation de Navier Stokes (un des problèmes non résolus du prix Clay). L’approche de ce livre est ancrée dans les expériences et la réalité concrète. La structure de la présentation choisie guidera les lecteurs vers une vision en profondeur des sujets abordés. Le domaine de la mécanique des ﬂuides a, à mon avis, largement bénéﬁ- cié au cours de ces trente dernières années des contributions des physiciens français tels que les auteurs de ce livre : ils ont apporté une approche renou- velée du sujet, des techniques expérimentales nouvelles, un sens des aspects pratiques et une ouverture vers les disciplines scientiﬁques voisines. Ce livre est un témoignage de cette dynamique. John Hinch Professeur à l’Université de Cambridge Fellow de Trinity College Extrait de la publication Table des matières Introduction xiii 1 Physique des ﬂuides 1 1.1 L’état liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Les diﬀérents états de la matière : systèmes modèles et milieux réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 La limite solide-liquide : une frontière parfois ﬂoue . . . 7 1.2 Coeﬃcients macroscopiques de transport . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1 Conductivité thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.2 Diﬀusion de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3 Modèles microscopiques des coeﬃcients de transport . . . . . . 19 1.3.1 La marche au hasard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2 Coeﬃcients de transport des gaz parfaits . . . . . . . . 22 1.3.3 Phénomènes de transport diﬀusif dans les liquides . . . 27 1.4 Eﬀets de surface et tension superﬁcielle . . . . . . . . . . . . . 29 1.4.1 La tension superﬁcielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.4.2 Forces de pression associées à la tension superﬁcielle . . 32 1.4.3 Étalement de gouttes sur une surface – notion de mouillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4.4 Inﬂuence de la gravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.5 Quelques méthodes de mesure de la tension superﬁcielle 41 1.4.6 Instabilité de Rayleigh-Taylor . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.5 Diﬀusion de rayonnements dans les ﬂuides . . . . . . . . . . . 46 1.5.1 Quelques sondes de la structure des liquides . . . . . . . 46 1.5.2 Diﬀusion élastique et inélastique . . . . . . . . . . . . . 48 1.5.3 La diﬀusion élastique et quasi élastique de la lumière : un outil d’étude de la structure et du transport diﬀusif dans les liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.5.4 Diﬀusion inélastique de la lumière dans les liquides . . . 55 1.6 Coeﬃcients de transport de ﬂuides . . . . . . . . . . . . . . . . 59 vi Hydrodynamique physique 2 Transport de la quantité de mouvement et régimes d’écoulement 61 2.1 Transports diﬀusif et convectif de quantité de mouvement dans les écoulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.1.1 Diﬀusion et convection de la quantité de mouvement : deux expériences illustratives . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.1.2 Transport de quantité de mouvement dans un écoulement de cisaillement – introduction de la viscosité . . . . . . . . . . uploads/Litterature/ hydrodynamique-physique-3-1.pdf