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Jean GOSSE : Docteur ès Sciences - Professeur Honoraire au Conservatoire National des Arts et Métiers
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Les bases de la mécanique des fluides sont résumées en insistant sur l’aspect énergétique, car l’ingénieur doit le plus souvent considérer des écoulements de fluides non isothermes. On s’est efforcé de présenter clairement l’unité des concepts qui concernent tous les fluides et dont l’application porte ici uniquement sur les fluides monophasiques newtoniens.
Il est essentiel que l’ingénieur garde toujours un regard critique sur les hypothèses qu’il introduit pour faciliter ses calculs, ou sur l’adéquation de la formule qu’il emploie dans le cas particulier étudié ; la mécanique des fluides est un domaine où le bon sens peut facilement tromper. On doit vérifier le bien-fondé d’une hypothèse après avoir obtenu la solution du problème. Un exemple banal est celui de la détermination du débit d’un écoulement que l’on suppose turbulent pour commencer les calculs ; l’est-il réellement ? Il faut s’assurer, par la valeur du nombre de Reynolds, que l’opportunité d’un écoulement laminaire est exclue.
Des logiciels actuellement commercialisés permettent de résoudre les équations de problèmes techniques complexes. Leur conception a nécessité le respect des bases théoriques mais a introduit des hypothèses et des formules empiriques qui ont leurs limites de validité tout comme les algorithmes de résolution. L’emploi des logiciels requiert la vigilance de l’ingénieur non spécialiste de la mécanique des fluides. Le texte qui suit est composé pour offrir des repères et des moyens de calcul simple permettant une évaluation rapide valable au premier ordre.
Les applications données sont limitées aux cas les plus usuels et le lecteur est évidemment invité à rechercher des approfondissements dans les chapitres signalés dans l’Index Alphabétique Général aux mots clés suivants : acoustique, aviation, aéroacoustique, aérodynamique, aéroréfrigérant, air, caloporteur, canaux, chaleur, climatisation, compressibilité, échangeur de chaleur, écoulements, éjecteurs, fluide, gaz, houle, hydraulique, lubrification, magnétohydrodynamique, thermodynamique, sans oublier le domaine des mesures.
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9. Écoulements permanents monodimensionnels en mécanique interne
Les paragraphes 7 et 8 concernent un fluide qui s’étend à grande distance de l’obstacle sur lequel se développe une couche limite dynamique dont le comportement conditionne les qualités aérodynamiques de l’obstacle. On considère, dans ce paragraphe, l’écoulement d’un fluide à l’intérieur d’une canalisation ; il s’agit d’une mécanique des fluides interne pour laquelle l’influence du frottement pariétal se fait sentir dans toute la section droite de la canalisation, sauf dans la région proche de l’entrée.
Les écoulements turbulents sont supposés permanents en moyenne ; par rapport à l’écoulement laminaire permanent, l’effet de la turbulence est de modifier le profil de vitesse avec accroissement du frottement pariétal et de la perte d’énergie mécanique par dissipation visqueuse.
Le problème de l’écoulement qui est strictement tridimensionnel (3 D) est ramené, pour simplification, à un problème monodimensionnel selon l’abscisse x, en rapportant en chaque x des grandeurs moyennes dans la section droite d’abscisse x. Pour bien peser cette approximation très usuelle, il est nécessaire d’en faire l’analyse.
9.1 Représentation monodimensionnelle de l’écoulement 3 D
Dans la transformation du problème 3 D en un problème monodimensionnel, on supposera que l’écoulement n’est pas permanent et que le fluide possède une masse volumique variable. On applique les trois bilans globaux de matière, de quantité de mouvement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BAKHMETEFF - Hydraulics of open channels. - McGraw-Hill (1932).
-
(2) - BRADSHAW (P.), CEBETI (T.), WITHELAW (J.H.) - Engineering calculation methods for turbulent flows. - Academic Press (1981).
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(3) - BRUN (E.A.), MARTINOT-LAGARDE (A.), MATHIEU (J.) - Mécanique des fluides. - 3 vol., Dunod (1970).
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(4) - CANDEL (S.) coord - Cours de mécanique des fluides. - Dunod, 2e édit. 1995 ; Problèmes résolus de mécanique des fluides, Dunod (1995).
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(5) - CEBETI (T.), BRADSHAW (P.) - Physical and Computational Aspect of Convective Heat Transfer. - Springer-Verlag (1984).
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(6) - COMOLET (R.) - Mécanique expérimentale des fluides. - 3 vol., Masson, 2e éd. (1976).
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