Dynamique des fluides
Un cours de base du deuxième cycle universitaire
Inge L. Ryhming
Presses Polytechniques et Universitaires Romandes
Préfacevi
Avant-proposix
Avant-propos de la troisième éditionxi
Chapitre 1
Généralités
1.1 Introduction1
1.1.1 Le domaine scientifique
1
1.1.2 La mécanique des milieux continus
1
1.1.3 Propriétés physiques des liquides et des gaz
2
1.1.4 Les équations de base
5
1.2 Cinématique de l'écoulement6
1.2.1 Trajectoires et lignes de courant
6
1.2.2 Exemple : lignes de courant
9
1.2.3 Exemple : trajectoires
10
1.2.4 Méthodes de description d'un écoulement
13
1.2.5 Quelques notions cinématiques supplémentaires
13
1.2.6 La dérivée particulaire
16
1.3 Écoulement autour d'un obstacle18
1.3.1 Note historique
18
1.3.2 Formulation moderne
19
Chapitre 2
Équation de continuité
2.1 Formes intégrales25
2.1.1 Cas particuliers
25
2.1.2 Cas général
26
2.1.3 Exemple : conduite
28
2.2 Formes différentielles29
2.2.1 Transformation de la forme intégrale
29
2.2.2 Ecoulement incompressible
29
2.2.3 Ecoulement compressible stationnaire
30
2.3 Vecteur potentiel et fonction de courant30
2.3.1 Ecoulement incompressible et compressible stationnaire
30
2.3.2 Fonction de courant d'un écoulement plan
31
2.3.3 Exemple : Psi = x2 - y233
2.3.4 Fonction de courant d'un écoulement axisymétrique
33
2.3.5 Exemple : écoulement homogène et parallèle
36
2.3.6 Fonctions de courant d'un écoulement tridimensionnel
37
2.4 Écoulement irrotationnel38
2.4.1 Potentiel de vitesse
38
2.4.2 Equation générale de Phi
38
2.4.3 Equation générale de A
39
2.4.4 Equation de Psi d'un écoulement plan compressible
39
2.4.5 Equation de Psi d'un écoulement axisymétrique compressible
40
2.4.6 Equation de Psi et de Phi d'un écoulement incompressible
40
2.4.7 Relations entre les fonctions Phi et Psi
41
2.5 Écoulement rotationnel42
2.5.1 Equations de Psi et de A d'un écoulement incompressible
42
2.5.2 Rotation d'une particule de fluide
43
2.5.3 Champ vectoriel Omega
45
2.5.4 Champ vectoriel A engendré par Omega
46
2.5.5 Champ de vitesse engendré par un fil tourbillonnaire
50
2.5.6 Exemple : fil tourbillonnaire rectiligne
51
2.5.7 Courbes réductibles et irréductibles
52
2.5.8 Couche tourbillonnaire
55
2.6 Conditions aux limites56
2.6.1 Corps imperméable
56
2.6.2 Exemple : profil bidimensionnel
57
2.6.3 Exemple : corps tridimensionnel
58
2.6.4 Exemple : mouvement rectiligne et accéléré d'une sphère
dans un fluide stationnaire
58
2.6.5 Corps perméable
59
2.6.6 Surface de séparation entre deux fluides immiscibles
59
2.6.7 Conditions à grande distance
60
Chapitre 3
Équation de quantité
de mouvement
3.1 Forme intégrale61
3.1.1 Cas particulier
61
3.1.2 Cas général
62
3.1.3 Forces par unité de masse
63
3.1.4 Contraintes en un point
64
3.1.5 Forces de surface
67
3.1.6 Enoncé de la forme intégrale de la quantité de mouvement
68
3.1.7 Exemple : conduite coudée
68
3.1.8 Exemple : gradient de pression engendré par un fil tourbillonnaire
70
3.1.9 Exemple : surface libre du tourbillon d'eau
72
3.1.10 Exemple : force de pression sur une paroi courbée
74
3.1.11 Exemple : onde de choc
75
Chapitre 4
Dynamique
des écoulements idéaux
4.1 Équations d'Euler79
4.1.1 Transformation de la forme intégrale de la quantité de
mouvement
79
4.1.2 Formes alternatives des équations d'Euler
81
4.1.3 Conséquences des équations d'Euler
82
4.1.4 Intégrales des équations d'Euler
82
4.1.5 Cas d'un écoulement irrotationnel
82
4.1.6 Cas d'un écoulement rotationnel stationnaire
83
4.1.7 Ecoulement irrotationnel, incompressible et stationnaire
84
4.1.8 Exemple : le théorème de Torricelli
85
4.1.9 Exemple : mouvement instantané dans une conduite coudée
86
4.1.10 Mesure de pression locale
87
4.1.11 Mesure de pression totale
88
4.1.12 Mesure de vitesse dans l'écoulement incompressible
89
4.1.13 Pression dynamique
90
4.1.14 Tube de Venturi
92
4.1.15 Exemple : interaction d'un jet d'eau et d'une plaque plane
93
4.2 Théorème de circulation Gamma d'un écoulement
idéal95
4.2.1 Théorème de circulation de Kelvin
95
4.2.2 Théorèmes de circulation de Helmholtz
96
4.2.3 Equation de Helmholtz de Omega
96
4.2.4 Exemple : écoulement rotatif dans une conduite
98
4.2.5 Exemple : flexion et étirement des fils tourbillonnaires
98
Chapitre 5
Théorie potentielle des
écoulements incompressibles
5.1 Généralités101
5.1.1 Introduction
101
5.1.2 Linéarité de (...)2 Phi = 0
102
5.1.3 Non stationnarité des fonctions harmoniques
102
5.1.4 Conditions aux limites et unicité des solutions
103
5.1.5 Méthodes d'analyse des problèmes aux limites
104
5.2 Écoulements potentiels élémentaires105
5.2.1 Ecoulements homogènes et parallèles
105
5.2.2 Source ou puits bidimensionnel
106
5.2.3 Fil tourbillonnaire rectiligne
108
5.2.4 Dipôle
109
5.2.5 Source ou puits tridimensionnel
111
5.2.6 Dipôle tridimensionnel
112
5.3 Méthode de superposition : écoulements simples112
5.3.1 Exemple : écoulement autour d'un demi-corps axisymétrique
112
5.3.2 Exemple : écoulement autour d'un cylindre de section circulaire
115
5.3.3 Remarques sur l'écoulement autour d'un cylindre circulaire
120
5.3.4 Forces agissant sur un corps fermé dans un écoulement
stationnaire
122
5.4 Méthode de superposition : la théorie
bidimensionnelle des profils126
5.4.1 Avant-propos
126
5.4.2 Profil symétrique
126
5.4.3 Distribution de pression sur le profil
130
5.4.4 Exemple : distribution de vitesse autour d'une parabole
131
5.4.5 Profil portant
135
5.4.6 Exemple : la plaque plane sous l'angle d'attaque Alpha
138
5.4.7 Résultats finaux de la théorie des profils minces
140
5.5 Méthode de séparation des variables141
5.5.1 Principe fondamental
141
5.5.2 Exemple : écoulement plan au-dessus d'une paroi ondulée
142
5.5.3 Exemple : écoulement à l'extérieur d'un tube onduleux
143
5.6 Méthode des images145
5.6.1 Conséquence d'une propriété de symétrie
145
5.6.2 Exemple : écoulement engendré par une source située à proximité
d'une paroi
145
5.6.3 Exemple : une aile à proximité d'une paroi
146
5.6.4 Exemple : une aile placée entre deux parois (soufflerie)
147
5.6.5 Exemple : écoulement autour d'un cylindre circulaire engendré
par une source
147
5.7 Éléments de la théorie potentielle complexe148
5.7.1 Equations de Cauchy-Riemann
148
5.7.2 Vitesse complexe w (z)
149
5.7.3 Circulation complexe (...)
150
5.7.4 Ecoulements potentiels élémentaires exprimés sous forme
complexe
150
5.7.5 Forces et moment
153
5.7.6 Exemple : écoulement autour d'un cylindre de section arbitraire
155
5.8 Méthode de transformation conforme156
5.8.1 Propriété d'une transformation conforme
156
5.8.2 Exemple : la transformation de Joukowski
158
5.8.3 Ecoulement autour d'un plan portant
160
5.8.4 Forces et moment sur le plan
165
5.8.5 Famille de profils selon Joukowski
166
5.8.6 Transformation générale cercle-profil
168
5.8.7 Portance d'un profil
168
5.8.8 Tourbillon de démarrage
170
5.9 Aile tridimensionnelle171
5.9.1 Couche tourbillonnaire d'une aile tridimensionnelle
171
5.9.2 Théorie du fil portant selon Prandtl
173
5.9.3 Principaux problèmes liés à la théorie de Prandtl
176
5.9.4 Exemple : distribution elliptique de Gamma (z)
177
5.9.5 Problème variationnel
179
5.9.6 Remarques
179
5.10 Écoulement potentiel instationnaire180
5.10.1 Caractéristiques du problème
180
5.10.2 Exemple : mouvement rectiligne et accéléré d'une sphère dans
un fluide
180
5.10.3 Masse ajoutée
182
5.10.4 Energie cinétique
182
5.10.5 Exemple : masse ajoutée de la sphère
184
5.10.6 Exemple : expansion radiale d'une sphère dans un fluide
stationnaire
184
5.10.7 Exemple : expansion et accélération rectiligne d'une sphère de
masse constante dans un fluide stationnaire
185
5.11 Écoulement potentiel avec surface libre186
5.11.1 Description des problèmes
186
5.11.2 Exemple : vagues sur un océan de profondeur infinie
187
Chapitre 6
Écoulement
visqueux incompressible
6.1 Équations de Navier-Stokes193
6.1.1 Introduction
193
6.1.2 Equations différentielles de quantité de mouvement
193
6.1.3 Hypothèse de Newton pour la contrainte de cisaillement
194
6.1.4 Le taux de déformation d'une particule fluide
195
6.1.5 Tenseur (...) d'un fluide newtonien
197
6.1.6 Perte de charge dans un écoulement visqueux
199
6.1.7 Diffusion de Omega dans l'écoulement visqueux
200
6.2 Similitude dynamique201
6.2.1 Problème d'échelles géométriques différentes
201
6.2.2 Similitude de Reynolds
201
6.2.3 Exemple : le coefficient Cx d'une sphère
203
6.2.4 Similitude générale, paramètres de similitude supplémentaires
203
6.2.5 Exemple : similitude de Reynolds et de Froude
205
6.3 Solutions exactes des équations de Navier-Stokes206
6.3.1 Famille d'écoulements simples
206
6.3.2 Exemple : écoulement de Couette
207
6.3.3 Exemple : écoulement de Hagen-Poiseuille
207
6.3.4 Exemple : écoulement stationnaire dans un tube circulaire
207
6.3.5 Exemple : oscillations longitudinales d'un fluide (deuxième
problème de Stokes)
210
6.4 Écoulement à nombre de reynolds faible213
6.4.1 Forme approximative des équations de Navier-Stokes
213
6.4.2 Exemple : mouvement lent d'une sphère
213
6.4.3 Exemple : mouvement lent d'un cylindre circulaire
214
6.4.4 Exemple : palier portant bidimensionnel
214
6.5 Couches limites laminaires, Re (...) 1216
6.5.1 Caractéristiques du problème
216
6.5.2 Equations de la couche limite incompressible et stationnaire
217
6.5.3 Exemple : couche limite sur une plaque plane
221
6.5.4 Epaisseur d'une couche limite
224
6.5.5 Remarques sur la solution pour la plaque plane
226
6.5.6 Couches limites auto-similaires générales
226
6.5.7 Méthodes approximatives
231
6.5.8 Similitude locale
232
6.5.9 Exemple : décollement laminaire sur un cylindre circulaire
selon la similitude locale
234
6.5.10 Equation intégrale de von Kármán
235
6.5.11 Méthode de von Kármán-Polhausen
237
6.5.12 Exemple : la plaque plane
238
6.5.13 Méthode de Holstein et Bohlen
238
6.5.14 Méthode de Walz-Thwaites
239
6.5.15 Exemple : décollement laminaire sur un cylindre circulaire
selon Walz-Thwaites
241
6.6 Turbulence241
6.6.1 Stabilité des solutions stationnaires des équations de Navier-Stokes
242
6.6.2 Exemple : corrélations empiriques de transition
243
6.6.3 Caractéristiques d'un écoulement turbulent
244
6.6.4 Corrélations et spectre
246
6.6.5 Intermittence
249
6.7 Couches limites turbulentes250
6.7.1 Equation de continuité
250
6.7.2 Equations de quantité de mouvement
251
6.7.3 Equations de la couche limite bidimensionnelle
254
6.7.4 Distribution de vitesse universelle
255
6.7.5 Frottement turbulent sur une plaque plane
260
6.7.6 Exemple : DeltaInfini de la couche limite laminaire et turbulente
262
6.7.7 Ecoulement turbulent dans un tube circulaire à paroi lisse
262
6.7.8 Frottement turbulent dans un tube circulaire
264
6.7.9 Distribution de vitesse sur une paroi rugueuse
266
6.7.10 Frottement turbulent, tube circulaire avec paroi rugueuse
267
6.7.11 Diamètre hydraulique
269
6.7.12 Calcul de la couche limite turbulente
269
6.7.13 Décollement d'une couche limite turbulente
270
6.7.14 Exemple : couche limite sur un profil symétrique de Joukowski
273
Chapitre 7
Dynamique des
écoulements compressibles
7.1 Cinétique des gaz279
7.1.1 Introduction
279
7.1.2 Processus de transport dans un gaz
279
7.2 Thermodynamique284
7.2.1 Avant-propos
284
7.2.2 Les équations d'état et leurs variables
284
7.2.3 Gaz parfait
286
7.2.4 Changement d'état isentropique
289
7.3 Équation d'énergie, forme intégrale et
différentielle290
7.3.1 Cas particulier
290
7.3.2 Cas général
293
7.3.3 Formes différentielles
294
7.3.4 Ecoulement idéal et adiabatique
296
7.3.5 Ecoulement incompressible
297
7.3.6 Exemple : transfert de chaleur dans un écoulement de Couette
pour un fluide incompressible
297
7.3.7 Transfert de chaleur dans une couche limite bidimensionnelle
compressible, Pr = 1
299
7.3.8 Transfert de chaleur dans une couche limite bidimensionnelle
compressible, Pr 1
302
7.4 Écoulement unidimensionnel, stationnaire et
idéal304
7.4.1 La vitesse du son
304
7.4.2 La constante de l'équation d'énergie
304
7.4.3 Onde de choc normale
305
7.4.4 Ecoulement dans un tube de section variable
311
7.4.5 La buse de Laval
314
7.4.6 Mesures de pression et de vitesse dans un écoulement compressible
317
7.4.7 Exemple : avion supersonique
320
7.4.8 Exemple : buse de Laval
322
7.5 Équations de base d'un écoulement bi- et tridimensionnel,
idéal et stationnaire (f (...) 0)323
7.5.1 Introduction
323
7.5.2 Equation générale de la dynamique des gaz
323
7.5.3 Ecoulement irrotationnel exprimé en fonction de Phi
325
7.5.4 Ecoulement plan rotationnel exprimé en fonction de Psi
326
7.6 Théorie des petites perturbations328
7.6.1 Equations de perturbation pour un écoulement parallèle et
homogène
328
7.6.2 L'écoulement sub- et supersonique
330
7.6.3 Le profil subsonique
331
7.6.4 Le coefficient de pression Cp k dans le cas d'écoulement
compressible
333
7.6.5 Le profil supersonique
334
7.6.6 Exemple : coefficients de portance Cy et de traînée Cx pour une
plaque plane
335
7.6.7 Exemple : calcul de Fx et Fy pour un profil de section arbitraire
337
7.6.8 Exemple : résistance d'onde pour un profil composé de deux
dièdres symétriques
338
7.7 Ondes dans un écoulement supersonique341
7.7.1 Onde de choc oblique
341
7.7.2 Expansion et compression isentropiques
344
7.7.3 Exemple : onde de choc oblique
349
7.7.4 Exemple : expansion autour d'un dièdre
350
7.7.5 Exemple : lignes de courant dans une expansion continue
350
7.8 Caractéristiques dans un écoulement
bidimensionnel352
7.8.1 Transformation des équations de base
352
7.8.2 Méthode de calcul des caractéristiques
356
7.8.3 Exemple : écoulement supersonique dans une conduite
bidimensionnelle
357
7.8.4 Onde de choc dans un écoulement bidimensionnel supersonique
358
7.8.5 Approximation pour de petites déviations d'écoulement
362
7.9 Écoulement instationnaire d'un fluide idéal365
7.9.1 Introduction
365
7.9.2 Ecoulement unidimensionnel et isentropique
366
7.9.3 Conditions aux limites
368
7.9.4 Onde simple
369
7.9.5 Exemple : expansion dans le vide
370
7.9.6 Propagation d'une onde de choc
373
7.9.7 Exemple : le tube à choc
374
7.9.8 Ondes dans un liquide
376
7.9.9 Pression d'impact
378
Chapitre 8
Exercices
8.1 Chapitre 1381
8.2 Chapitre 2382
8.3 Chapitre 3384
8.4 Chapitre 4384
8.5 Chapitre 5385
8.6 Chapitre 6387
8.7 Chapitre 7389
Solutions des exercices390
Chapitre 9
Annexes
9.1 Formules vectorielles399
9.2 Séparation des variables dans l'équation de
laplace402
9.2.1 Ecoulement plan, coordonnées cartésiennes x y
402
9.2.2 Ecoulement plan, coordonnées polaires r Thêta
402
9.2.3 Ecoulement axisymétrique, coordonnées cylindriques x r
403
9.2.4 Ecoulement axisymétrique, coordonnées sphériques R Thêta
405
9.3 Viscosité dynamique Mu pour l'air et l'eau407
9.3.1 Air
407
9.3.2 Eau
407
9.4 Composantes du tenseur (...) d'un fluide newtonien
exprimées en coordonnées cylindriques et
sphériques407
9.4.1 Coordonnées cylindriques x r Omega
407
9.4.2 Coordonnées sphériques R Thêta Omega
408
9.5 Équations de Navier-Stokes pour un fluide
incompressible, exprimées en coordonnées
cylindriques et sphériques408
9.5.1 Coordonnées cylindriques x r Omega
408
9.5.2 Coordonnées sphériques R Thêta Omega
409
9.6 Grandeurs409
9.6.1 Grandeurs p2/p1, T2/T1, p2/p1, p20/p10 et M2 en fonction de
M1
pour une onde de choc normale, k = 1,4
409
9.6.2 Grandeurs p/p0, T/T0, p/p0, a/a0, p v/p*a* et M* en fonction
de M pour un écoulement subsonique, isentropique et stationnaire,
k = 1,4
412
9.6.3 Grandeurs p/p0, T/T0, p/p0, a/a0, p v/p*a* et M* en fonction
de M pour un écoulement supersonique, isentropique et stationnaire.
La fonction v (M) et l'angle Bêta sont également inclus, k = 1,4
414
9.6.4 Grandeurs p2/p1, T2/T1, p2/p1, p20/p10 et M2 en fonction de
M1
pour une onde de choc oblique, k = 1,4. La variation des angles (...)
et Bêta' est également donnée pour chaque valeur de M1. La dernière
valeur indiquée pour (...) correspond à (...) = (...)max
418
Index433
Notations, terminologie, unités451