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Mécanique des fluides CPGE.

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COURS 16 • PHYSIQUE CPGE

Pression.
Débit. Écoulement.

La mécanique des fluides relie pression, vitesse, débit, énergie et viscosité. En CPGE, le bon réflexe est de distinguer hydrostatique et écoulement, puis d’enchaîner continuité, Bernoulli, pertes de charge et régime d’écoulement.

1. GRANDEURS DU FLUIDE

Masse volumique, pression, vitesse.

Masse volumique

ρ = m/V

Unité : kg·m⁻³.

Pression

P = F/S

Unité : pascal.

Champ de vitesse

v = v(M,t)

Il décrit le mouvement local du fluide.

2. HYDROSTATIQUE

Un fluide au repos.

Pour un fluide incompressible au repos dans un champ de pesanteur uniforme :

dP/dz = -ρg

Si z est orienté vers le haut :

P₂ – P₁ = -ρg(z₂-z₁)
La pression augmente quand on descend dans un liquide au repos.
3. THÉORÈME DE PASCAL

La pression se transmet dans un fluide au repos.

Une variation de pression imposée à un fluide incompressible au repos se transmet à l’ensemble du fluide dans le modèle idéal.

Application classique : presse hydraulique.

F₁/S₁ = F₂/S₂
MZA FLUID ENGINE

La méthode universelle des problèmes de fluide.

01FLUIDE
02RÉGIME
03DÉBIT
04PRESSION
05ÉNERGIE
06PERTES
4. POUSSÉE D’ARCHIMÈDE

Résultante des forces de pression.

Tout corps immergé subit une poussée verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé :

FA = ρfluide Vdéplacé g

La poussée s’applique au centre de poussée.

5. FLOTTABILITÉ

Couler, flotter ou rester en équilibre.

ρcorps > ρfluide

Le corps tend à couler.

ρcorps < ρfluide

Le corps peut flotter partiellement.

Équilibre

mg = ρfluideVimmergég
6. DÉBIT VOLUMIQUE

Le volume traversant une section par unité de temps.

Qv = dV/dt

Pour une vitesse uniforme sur une section S :

Qv = Sv
7. DÉBIT MASSIQUE

Le débit de matière.

Qm = dm/dt

Pour un fluide de masse volumique ρ :

Qm = ρQv
8. ÉQUATION DE CONTINUITÉ

Conservation de la masse.

En régime permanent :

ρ₁S₁v₁ = ρ₂S₂v₂

Pour un fluide incompressible :

S₁v₁ = S₂v₂
Une section plus petite implique une vitesse plus grande si le débit est conservé.
9. LIGNES DE COURANT

Visualiser l’écoulement.

Une ligne de courant est partout tangente au vecteur vitesse. En régime permanent, les lignes de courant sont fixes dans l’espace.

10. BERNOULLI

Le bilan d’énergie mécanique du fluide parfait.

Pour un écoulement stationnaire, incompressible, non visqueux, le long d’une ligne de courant :

P + ½ρv² + ρgz = constante

Entre deux points :

P₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = P₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
11. INTERPRÉTATION ÉNERGÉTIQUE

Pression, vitesse et altitude échangent leurs rôles.

Énergie de pression

P

Énergie cinétique volumique

½ρv²

Énergie potentielle volumique

ρgz
12. EFFET VENTURI

Accélération et chute de pression dans un rétrécissement.

Pour un tube horizontal :

P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²

Si S₂<S₁, alors v₂>v₁ et donc P₂<P₁ dans le modèle idéal.

13. FORMULE DE TORRICELLI

Vitesse d’écoulement sous l’effet de la gravité.

Pour un grand réservoir ouvert possédant un petit orifice situé à une profondeur h :

v = √(2gh)

Cette relation résulte directement de Bernoulli sous des hypothèses idéales.

14. VISCOSITÉ

La dissipation interne du fluide.

Pour un fluide newtonien en cisaillement simple :

τ = η dv/dy

η est la viscosité dynamique.

Plus η est élevée, plus le fluide résiste aux gradients de vitesse.
15. LOI DE POISEUILLE

Écoulement laminaire dans un tube cylindrique.

Pour un fluide newtonien incompressible en régime laminaire dans un tube de rayon R et longueur L :

Qv = πR⁴ ΔP / (8ηL)

Le débit dépend très fortement du rayon : il varie comme R⁴.

16. NOMBRE DE REYNOLDS

Comparer inertie et viscosité.

Re = ρvL/η

ou :

Re = vL/ν

avec ν=η/ρ viscosité cinématique.

17. LAMINAIRE OU TURBULENT ?

Le régime d’écoulement dépend de Reynolds.

Faible Reynolds

Les effets visqueux dominent : écoulement ordonné, souvent laminaire.

Grand Reynolds

Les effets inertiels dominent davantage : des instabilités et de la turbulence peuvent apparaître.

La valeur critique dépend de la géométrie et du problème. Il ne faut pas appliquer un seuil unique hors contexte.
18. PERTES DE CHARGE

Le fluide réel dissipe de l’énergie mécanique.

Une forme pratique du bilan d’énergie peut s’écrire :

P₁/ρg + v₁²/2g + z₁ = P₂/ρg + v₂²/2g + z₂ + hpertes

Les pertes sont dues notamment aux frottements dans les conduites, aux singularités, coudes, vannes et turbulences.

19. POMPE & TURBINE

Ajouter ou extraire de l’énergie.

Pompe

Elle apporte de l’énergie mécanique au fluide.

Turbine

Elle prélève une partie de l’énergie mécanique du fluide.

20. EXERCICES PROGRESSIFS

Continuité d’abord, énergie ensuite.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Hydrostatique

Déterminer la différence de pression entre deux points d’un liquide au repos séparés verticalement d’une hauteur h.

Utilisez dP/dz=-ρg et choisissez clairement l’axe vertical.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Continuité

Un tube passe d’une section S1 à une section S2 plus petite. Le fluide est incompressible. Relier v1 et v2.

Le débit volumique est conservé : S1v1=S2v2.
NIVEAU 3

Exercice 3 — Venturi

Un tube horizontal se rétrécit. Déterminer qualitativement comment évoluent vitesse et pression.

Commencez par la continuité puis appliquez Bernoulli sur une même ligne de courant.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Poiseuille

Le rayon d’un tube est doublé, toutes les autres grandeurs restant identiques. Comment évolue le débit laminaire ?

Dans la loi de Poiseuille, le débit est proportionnel à R⁴.
21. PROBLEM LAB

Mission : dimensionner une conduite d’alimentation.

Situation

Un réservoir alimente une installation située plus bas par une conduite de diamètre variable. Le débit demandé est connu et les pertes de charge ne sont pas négligeables.

Votre mission :

  1. choisir les deux points pertinents pour le bilan ;
  2. écrire l’équation de continuité ;
  3. déterminer les vitesses dans chaque section ;
  4. écrire Bernoulli avec pertes de charge ;
  5. identifier le rôle de la différence d’altitude ;
  6. déterminer la pression disponible en sortie ;
  7. étudier l’effet d’une réduction du diamètre ;
  8. évaluer qualitativement l’effet de la viscosité ;
  9. calculer un nombre de Reynolds représentatif ;
  10. discuter si une pompe est nécessaire.
Ne commencez pas par Bernoulli. Déterminez d’abord les vitesses à partir du débit et des sections.
Procédez dans l’ordre : géométrie → continuité → vitesses → Bernoulli → pertes → Reynolds → interprétation physique.
MZA FLUID CHECK

Les six réflexes des fluides.

Aρ
BDÉBIT
CCONTINUITÉ
DBERNOULLI
ERe
FPERTES
22. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Mécanique des fluides CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. Dans un liquide au repos, la pression :
2. Pour un fluide incompressible en régime permanent :
3. Bernoulli idéal s’écrit :
4. La poussée d’Archimède vaut :
5. Le nombre de Reynolds compare principalement :
6. Dans la loi de Poiseuille, le débit varie comme :
P + ½ρv² + ρgz

Dans un fluide, pression, vitesse et altitude dialoguent en permanence.

Hydrostatique, continuité, Bernoulli, viscosité et Reynolds permettent de passer du simple liquide au repos aux conduites réelles, aux pompes, aux écoulements industriels et à de nombreuses applications aéronautiques.

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