Mécanique des fluides

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La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des écoulements solides tels les glaciers ou le manteau terrestre. Le mouvement des liquides et des gaz est régi par les mêmes équations : les équations de Navier-Stokes mais avec la différence que l'on considère en général les liquides comme étan
Mécanique des fluides

La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des écoulements solides tels les glaciers ou le manteau terrestre. Le mouvement des liquides et des gaz est régi par les mêmes équations : les équations de Navier-Stokes mais avec la différence que l'on considère en général les liquides comme étant incompressibles et les gaz compressibles. La mécanique des fluides se compose de deux grandes sous-branches:
- la statique des fluides, ou hydrostatique qui étudie les fluides au repos. C'est historiquement le début de la mécanique des fluides, avec la poussée d'Archimède, l'étude de la pression
- la dynamique des fluides qui étudie les fluides en mouvement. Les fluides peuvent aussi se classer en deux familles relativement à leur viscosité, une de leur caractéristique physico-chimique. La famille des fluides "newtoniens" (comme l'eau, l'air et la plupart des gaz) et celle des fluides "non newtoniens" (quasiment tout le reste... le sang, les gels, les boues, les pâtes, les suspensions, les émulsions...). Les fluides "newtoniens" ont une viscosité constante ou qui ne peut varier qu'en fonction de la température. Les fluides "non newtoniens" ont, en plus, la particularité d'avoir leur viscosité qui varie en fonction de la vitesse et des contraintes qu'ils subissent lorsque ceux-ci s'écoulent. La rhéologie est la science qui traite des fluides "non newtoniens". Comme autres branches de la mécanique des fluides on distingue : l'hydraulique, l'hydrodynamique, l'aérodynamique, l'étude des écoulements polyphasiques, l'électro-fluidodynamique, la biomécanique, la microfluidique... Une nouvelle approche a vu le jour depuis quelques décennies : la mécanique des fluides numérique (CFD ou Computational Fluid Dynamics en anglais), qui simule l'écoulement des fluides en résolvant les équations qui les régissent à l'aide d'ordinateurs très puissants : les super-calculateurs. La mécanique des fluides a de nombreuses applications dans divers domaines comme l'ingénierie navale, l'aéronautique, l'étude de l'écoulement du sang (hémodynamique), mais aussi la météorologie, la climatologie ou encore l'océanographie.

Problèmes classiques de la mécanique des fluides

Tous les fluides sont visqueux, c'est-à-dire que le mouvement d'une couche fluide par rapport à une autre est freiné par un phénomène de frottement qui entraîne une perte d'énergie mécanique transformée en chaleur. Dans un fluide newtonien, la force tangentielle est proportionnelle au taux de variation de la vitesse, ce qui conduit aux équations de Navier-Stokes. L'importance relative de la viscosité est mesurée par le nombre de Reynolds. Si l'écoulement est uniforme, la viscosité n'a aucun effet puisque toutes les particules se déplacent à la même vitesse. Ce sont les parois, sur lesquelles la vitesse d'un fluide visqueux s'annule, qui créent une variation de vitesse entre 0 et la vitesse de l'écoulement non perturbé. Lorsque la viscosité est très importante (nombre de Reynolds inférieur à 1), l'écoulement est laminaire, c'est l'écoulement de Stokes. En toutes circonstances, il suffit de s'éloigner suffisamment des parois pour trouver des vitesses quasi-constantes qui permettent de négliger la viscosité. Plus la valeur du Reynolds est élevée, plus cette zone, dans laquelle on peut considérer que l'on a affaire à un fluide parfait, est importante. Elle est alors soumise aux équations d'Euler, beaucoup plus simples que celles de Navier-Stokes. Les effets de la viscosité se concentrent alors dans la couche limite assez mince pour permettre de simplifier les équations visqueuses. Dans une première gamme de Reynolds, l'écoulement reste généralement irrotationnel, dépourvu de tourbillons. Pour de plus fortes valeurs, la couche limite engendre un sillage tourbillonnaire à l'aval de l'obstacle (voir par exemple Allée de tourbillons de Karman). Lorsque le nombre de Reynolds atteint des valeurs encore plus élevées, la couche limite, laminaire à l'amont, devient turbulente à l'aval, cette turbulence se transmettant au sillage, ce qui complique considérablement le problème. D'autre part, tous les fluides sont plus ou moins compressibles, l'effet de la compressibilité étant mesuré par le nombre de Mach. Là encore, il est souvent possible de simplifier les équations en négligeant la compressibilité pour les faibles nombres de Mach. C'est le cas général en hydrodynamique et, en aérodynamique, pour les vitesses relativement faibles.

Voir aussi

Bibliographie

- Pierre Henri Communay, La mécanique des fluides. Dynamique de vie, Groupe de Recherche et d'Édition, Toulouse, 2000, 16x24 cm, . ===
Sujets connexes
Allée de tourbillons de Karman   Aérodynamique   Aéronautique   Biomécanique   Climatologie   Compressibilité   Computational fluid dynamics   Contrainte   Couche limite   Dynamique des fluides   Fluide parfait   Force (physique)   Formules de mécanique des fluides   Gaz   Hydraulique   Hydrostatique   Hémodynamique   Liquide   Microfluidique   Météorologie   Nombre de Mach   Nombre de Reynolds   Océanographie   Oléohydraulique   Physique   Poussée d'Archimède   Pression   Rhéologie   Réseaux hydrauliques   Théorème de Kutta-Jukowski   Turbulence   Viscosité  
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