MECANIQUE DES FLUIDES. Cours et exercices corrigés
Chapitre 1 : Introduction à la mécanique des fluides. Notions de mécanique des fluides. Cours et exercices corrigés. Auteur : Riadh BEN HAMOUDA.
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équations ne sont pas la mécanique des fluides elles la décrivent. Cette accessibilité ne doit pas masquer cependant le fait que certains aspects
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Ce document couvre la majorité des aspects de la mécanique des fluides Il est constitué de quatre chapitres qui s’enchainent comme suit : Dans le premier chapitre on étudie les propriétés des fluides la statique des fluides en deuxième chapitre et la dynamique des fluides parfaits incompressibles en troisième chapitre
CHAPITRE I : INTRODUCTION A LA MECANIQUE DES FLUIDES
INTRODUCTION A LA MECANIQUE DES FLUIDES La mécanique des fluides est une science qui s’intéresse aux comportements des fluides au repos et en mouvement On distingue : La statique des fluides : hydrostatique La dynamique des fluides : hydrodynamique I - Définition d’un fluide :
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Quels sont les chapitres du manuel de mécanique des fluides ?
Ce manuel couvre les différents aspects de la mécanique des fluides dans un ordre classique. Les chapitres s'enchainent et forment un tout. On traite au chapitre I les propriétés des fluides et au chapitre II , la statique des fluides. Le chapitre III aborde la cinématique des fluides.
Quelle est la mécanique des fluides ?
INTRODUCTION A LA MECANIQUE DES FLUIDES. La mécanique des fluides est une science qui s’intéresse aux comportements des fluides au repos et en mouvement. On distingue : La statique des fluides : hydrostatique La dynamique des fluides : hydrodynamique. I - Définition d’un fluide :
Quels sont les auteurs de mécanique des fluides?
Padet J. Fluides en écoulement, Masson, 1991 8. Douglas J.F. Solution of problems in fluid mechanics, Pitman, 1985 9. Youcefi A. Cours et Travaux Dirigés de mécanique des fluides, USTO-MB, 2016 10. Loukarfi L. Exercices résolus de mécanique des fluides, Dar El Oumma, 1999
Quels sont les quatre chapitres de l’étude de la dynamique des fluides?
Il est constitué de quatre chapitres qui s’enchainent comme suit : Dans le premier chapitre, on étudie les propriétés des fluides, la statique des fluides en deuxième chapitre et la dynamique des fluides parfaits incompressibles en troisième chapitre, le dernier et quatrième chapitre est réservé à la dynamique des fluides réels incompressibles.
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MECANIQUE DES FLUIDES __________________
Jean-François SINI
2008AVANT-PROPOS
Ce document polycopié correspond au support de cours de Mécanique des Fluides enseigné en première année à
l'École Centrale. Il constitue une introduction à l'étude des phénomènes de transport de masse, de quantité de
mouvement et d'énergie dans les écoulements de fluides.La première partie (chapitres 2 à 9) présente les notions et principes généraux de la thermodynamique et de la
Mécanique qui permettent d'établir les équations de bilans dans un fluide. Leur formalisation en écriture locale dans
le cas des fluidesusuels aboutit aux équations dites de Navier-Stokes. Ces développements généraux, associés à un
formalisme rigoureux, peuvent apparaître quelque peu théoriques aux yeux d'un élève ingénieur, mais ils constituent
la base indispensable de l'analyse des systèmes fluides. Ils permettent de cerner les approximations usuelles
généralement utilisées dans l'étude simplifiée des écoulements industriels complexes. À ce propos, le chapitre 10
présente les notions essentielles permettant de réduire consciemment le système de Navier-Stokes et de justifier au
cas par cas les hypothèses simplificatrices qui conduisent aux différentes classes d'approximations de la Mécanique
des Fluides.La deuxième partie du document (chapitres 11 à 15), après quelques éléments de Statique et des (rares) solutions
exactes des équations de Navier-Stokes, présente un aspect plus appliqué, adapté à la formation d'un ingénieur
généraliste. Les équations de bilans intégraux de masse, de quantité de mouvement et d'énergie, illustrées ici sur le
cas simple des écoulements de conduites, permettent d'aborder d'un point de vue global, de nombreux problèmescourants de la Mécanique des Fluides Industrielle. L'essentiel des manipulations de Travaux Pratiques porte sur
l'illustration de ces notions. Un enseignement complémentaire électif est proposé en 2 ème année aux élèves qui le souhaitent(*). Il s'agit nonpas tant d'étendre les concepts ou le contenu au-delà de ce qui est présenté ici, mais de mettre en oeuvre les acquis
sur des applications industrielles concrètes par l'étude de quelques classes d'approximations.Pour la rédaction de ce cours polycopié, j'ai utilisé librement de nombreux ouvrages classiques et quelques
documents de certains collègues, tous disponibles à la bibliothèque de l'École Centrale. J'espère que ce polycopié
constituera une invitation à la lecture de ces livres.Jean-François Sini
Nantes, le 4 juillet 2006
(*) Cet enseignement électif (MFLAP), incontournable pour les options Hydrodynamique Navale et Génie Océanique et
Mécanique des Fluides Numérique, est fortement recommandé pour les élèves s'orientant en 3ème année vers les options
Energétique & Environnement et Génie Civil... les autres sont aussi les bienvenus! I ISOMMAIRE
Chapitre 1 Vecteurs et tenseurs................................................................................................................1
1.1 Vecteurs........................................................................................................................................................1 1.1.1 Espace vectoriel Euclidien.........................................................................................................................1 1.1.2 Convention de l'indice muet......................................................................................................................2 1.1.3 Changement de base..................................................................................................................................2 1.2 TENSEURS...........................................................................................................................................................3 1.2.1 Définitions.................................................................................................................................................3 1.2.2 Changement de base..................................................................................................................................4 1.2.3 Opérations sur les tenseurs........................................................................................................................5 1.2.4 Le tenseur d'orientation.............................................................................................................................7 1.3 OPÉRATEURS VECTORIELS ET TENSORIELS.........................................................................................................8 1.3.1 Notations....................................................................................................................................................8 1.3.2 Définitions.................................................................................................................................................8 1.3.3 Notation dyadique....................................................................................................................................10 1.3.4 Identités...................................................................................................................................................11 1.3.5 Relations intégrales..................................................................................................................................11
PREMIERE PARTIE
Chapitre 2 Introduction..........................................................................................................................15
2.1 CONCEPTS GÉNÉRAUX......................................................................................................................................15 2.1.1 L'état fluide.............................................................................................................................................15 2.1.2 Le concept de milieu continu...................................................................................................................16 2.1.3 Limites de l'hypothèse de continuité.......................................................................................................18 2.1.4 Surfaces de discontinuité.........................................................................................................................18 2.2 PROPRIÉTÉS THERMODYNAMIQUES DES FLUIDES..............................................................................................18 2.2.1 Axiome de l'équilibre local.....................................................................................................................18 2.2.2 Équation d'état.........................................................................................................................................19 2.2.3 Premier principe et énergie interne..........................................................................................................20 2.2.4 Second principe et entropie......................................................................................................................23 2.2.5 Forme différentielle de l'énergie interne et de l'entropie........................................................................24 2.2.6 Équations d'état canoniques, enthalpie....................................................................................................26 2.2.7 Quelques définitions................................................................................................................................26
II IIChapitre 3 Cinématique..........................................................................................................................29
3.1 DESCRIPTION DU MOUVEMENT..........................................................................................................................29 3.1.1 Notions de référentiel et de configuration................................................................................................29 3.1.2 Description Lagrangienne........................................................................................................................30 3.1.3 Description Eulerienne.............................................................................................................................31 3.2 DÉRIVÉE PARTICULAIRE....................................................................................................................................31 3.2.1 Taux de variation d'une grandeur matérielle............................................................................................31 3.2.2 Accélération d'une particule fluide..........................................................................................................33 3.3 RÉFÉRENTIEL INERTIEL ET RÉFÉRENTIEL RELATIF.............................................................................................33 3.4 LIGNES FLUIDES................................................................................................................................................34 3.4.1 Trajectoires...............................................................................................................................................34 3.4.2 Lignes de courant.....................................................................................................................................35 3.4.3 Lignes d'émission.....................................................................................................................................36
Chapitre 4 Déformation et rotation........................................................................................................37
4.1 TRANSLATION...................................................................................................................................................37 4.2 ROTATION.........................................................................................................................................................38 4.3 DILATATION......................................................................................................................................................39 4.4 CISAILLEMENT..................................................................................................................................................40 4.5 DÉCOMPOSITION DU MOUVEMENT GÉNÉRAL D'UNE PARTICULE........................................................................42 4.5.1 Cas 2D......................................................................................................................................................42 4.5.2 Cas 3D......................................................................................................................................................43 4.5.3 Taux de d'allongement d'un segment fluide............................................................................................43 4.6 TENSEUR DES TAUX DE DÉFORMATION ET TENSEUR DES TAUX DE ROTATION...................................................44
Chapitre 5 Théorèmes de transport.......................................................................................................47
5.1 VOLUMES ET SURFACES DE CONTRÔLE..............................................................................................................47 5.2 FORMULATION DES THÉORÈMES DE TRANSPORT...............................................................................................48 5.2.1 Cas général d'un volume de contrôle arbitraire........................................................................................48 5.2.2 Cas d'un volume de contrôle fixe.............................................................................................................50 5.2.3 Cas d'un volume de contrôle matériel Vm(t)...........................................................................................50
5.2.4 Expression du théorème de transport en vitesse relative..........................................................................50 5.2.5 Théorème de transport pour un champ vectoriel......................................................................................50 5.3 FORMES ALTERNATIVES DES THÉORÈMES DE TRANSPORT.................................................................................50 5.4 THÉORÈMES DE TRANSPORT EN PRÉSENCE D'UNE SURFACE SINGULIÈRE...........................................................51 5.5 APPLICATIONS...................................................................................................................................................52 5.5.1 Le taux de dilatation volumique...............................................................................................................52 5.5.2 L'équation de continuité...........................................................................................................................53
Chapitre 6 Le tenseur des contraintes....................................................................................................55
6.1 EFFORTS À DISTANCE - EFFORTS DE CONTACT...................................................................................................55 6.1.1 Schéma macroscopique des contraintes...................................................................................................55 6.1.2 Propriété des contraintes locales...............................................................................................................56 6.2 LE TENSEUR DES CONTRAINTES.........................................................................................................................57 6.2.1 Représentation des forces de surface par le tenseur des contraintes.........................................................57 6.2.2 Composantes du tenseur des contraintes..................................................................................................59 6.2.3 Symétrie du tenseur des contraintes.........................................................................................................59 6.2.4 Notion de pression statique......................................................................................................................60 6.2.5 Le tenseur des contraintes visqueuses......................................................................................................62
Chapitre 7 Équations de bilans...............................................................................................................65
7.1 FORME GÉNÉRALE D'UN PRINCIPE DE BILAN.....................................................................................................65 7.2 ÉQUATION DE BILAN DE MASSE.........................................................................................................................66
IIIIII 7.3 ÉQUATION DE BILAN DE QUANTITÉ DE MOUVEMENT........................................................................................66 7.3.1 Formes macroscopiques...........................................................................................................................66 7.3.2 Formes locales.........................................................................................................................................68 7.4 THÉORÈME DE L'ÉNERGIE CINÉTIQUE...............................................................................................................69 7.5 ÉQUATION DE BILAN DE L'ÉNERGIE..................................................................................................................71 7.6 ÉQUATION DE BILAN DE L'ÉNERGIE INTERNE....................................................................................................73 7.7 FORME ENTHALPIQUE DU BILAN D'ÉNERGIE.....................................................................................................74 7.8 ÉQUATION DE BILAN DE L'ENTROPIE................................................................................................................74
Chapitre 8 Lois de comportement..........................................................................................................77
8.1 PRINCIPES GÉNÉRAUX......................................................................................................................................77 8.1.1 Introduction.............................................................................................................................................77 8.1.2 Axiomatique des lois de comportement...................................................................................................78 8.2 RELATIONS LINÉAIRES ENTRE FORCES ET FLUX................................................................................................79 8.2.1 Cas de la quantité de chaleur - Loi de Fourier.........................................................................................80 8.2.2 Cas de la quantité de mouvement - Loi de Newton.................................................................................81 8.3 LES FLUIDES NON NEWTONIENS........................................................................................................................85 8.3.1 Les fluides non newtoniens indépendants du temps................................................................................86 8.3.2 Les fluides non newtoniens dépendants du temps...................................................................................87 8.3.3 Les fluides visco-élastiques.....................................................................................................................87 8.4 QUELQUES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES FLUIDES.............................................................................................88 8.4.1 La viscosité..............................................................................................................................................88 8.4.2 La conductivité thermique.......................................................................................................................88 8.4.3 La diffusivité matérielle...........................................................................................................................89 8.4.4 Les nombres adimensionnels du transport diffusif..................................................................................89
Chapitre 9 Les équations de Navier-Stokes...........................................................................................91
9.1 ÉTABLISSEMENT DES ÉQUATIONS.....................................................................................................................91 9.1.1 Introduction.............................................................................................................................................91 9.1.2 Quantité de mouvement...........................................................................................................................91 9.1.3 Énergie interne.........................................................................................................................................92 9.2 TABLEAU RÉCAPITULATIF................................................................................................................................93 9.2.1 Le système d'équations complet..............................................................................................................93 9.2.2 Cas d'un fluide parfait.............................................................................................................................94 9.2.3 Cas d'un fluide isovolume.......................................................................................................................94 9.3 LES DIFFÉRENTES APPROCHES DE RÉSOLUTION................................................................................................94 Annexe du chapitre 9........................................................................................................................................97
Chapitre 10 Analyse dimensionnelle......................................................................................................99
10.1 INTRODUCTION...............................................................................................................................................99 10.1.1 Échelles caractéristiques et estimations a priori..................................................................................100 10.1.2 Nombres sans dimension.....................................................................................................................101 10.2 PRINCIPE DE L'ANALYSE DIMENSIONNELLE..................................................................................................103 10.2.1 Exemple...............................................................................................................................................103
10.2.2 Le Théorème P ou théorème de Vaschy-Buckingham........................................................................104 10.3 ÉQUATIONS DE NAVIER-STOKES ADIMENSIONNELLES..................................................................................107 10.3.1 Établissement des équations................................................................................................................107 10.3.2 Interprétation du nombre de Reynolds.................................................................................................109 10.3.3 Interprétation du nombre de Froude....................................................................................................110 10.3.4 Équation adimensionnelle pour l'énergie............................................................................................110 10.4 ANALYSE DE SIMILITUDE..............................................................................................................................112 10.4.1 Cas des écoulements isovolumes.........................................................................................................112 10.4.2 Cas des écoulements compressibles.....................................................................................................114 10.5 LES PRINCIPAUX NOMBRES SANS DIMENSION...............................................................................................115
IV IVDEUXIEME PARTIE
Chapitre 11 Statique des fluides...........................................................................................................119
11.1 GÉNÉRALITÉS................................................................................................................................................119 11.1.1 Le théorème d'Archimède....................................................................................................................120 11.1.2 Équilibres pseudo-statiques..................................................................................................................122 11.1.3 Fluides compressibles...........................................................................................................................123 11.2 HYDROSTATIQUE..........................................................................................................................................125 11.2.1 Hypothèses de base..............................................................................................................................125 11.2.2 Résultante de pression sur une paroi....................................................................................................125 11.2.3 Application à la mesure de la pression statique....................................................................................127 11.2.4 Phénomènes de tension superficielle....................................................................................................129
Chapitre 12 Quelques solutions exactes de Navier-Stokes.................................................................133
12.1 LES ÉCOULEMENTS PARALLÈLES...................................................................................................................133 12.1.1 Équations pour les écoulements parallèles en canal.............................................................................133 12.1.2 Équations pour les écoulements parallèles en rotation.........................................................................135 12.1.3 Équations pour les écoulements parallèles en conduite........................................................................136 12.2 ÉCOULEMENTS ENTRE DEUX PLAQUES PLANES.............................................................................................136 12.2.1 Écoulement dans un canal bidimensionnel...........................................................................................136 12.2.2 Écoulement de Couette.........................................................................................................................139 12.2.3 Premier problème de Stokes.................................................................................................................140 12.3 DIFFUSION D'UN FILAMENT TOURBILLONNAIRE............................................................................................142 12.4 ÉCOULEMENT DE POISEUILLE DANS UNE CONDUITE CYLINDRIQUE...............................................................145 12.4.1 Grandeurs cinématiques et dynamiques...............................................................................................146 12.4.2 Grandeurs énergétiques........................................................................................................................147 12.4.3 Limites de validité................................................................................................................................148 12.5 NOTIONS DE TURBULENCE............................................................................................................................149 12.5.1 Généralités............................................................................................................................................149 12.5.2 Formules empiriques pour les écoulements en conduites.....................................................................150
Chapitre 13 Notions de bilans intégraux..............................................................................................155
13.1 INTRODUCTION.............................................................................................................................................155 13.2 BILAN INTÉGRAL DE MASSE..........................................................................................................................158
VV Chapitre 14 Bilans d'énergie cinétique................................................................................................161
14.1 FORMULATION GÉNÉRALE............................................................................................................................161 14.1.1 Bilan macroscopique sur un volume arbitraire....................................................................................161 14.1.2 Formulation pour les écoulements internes.........................................................................................163 14.2 RELATION DE BERNOULLI POUR LES FLUIDES VISQUEUX..............................................................................164 14.2.1 Établissement de la relation intégrale..................................................................................................164 14.2.2 Exemple et interprétation graphique....................................................................................................169 14.3 RELATION DE BERNOULLI POUR LES FLUIDES PARFAITS...............................................................................172 14.3.1 La formulation locale pour un fluide isovolume..................................................................................172 14.3.2 Écoulements irrotationnels de fluides parfaits isovolumes..................................................................174 14.3.3 Le cas des fluides barotropes...............................................................................................................175 14.4 EXEMPLES D'APPLICATION...........................................................................................................................176 14.4.1 Écoulements par des orifices...............................................................................................................176 14.4.2 Pression d'arrêt....................................................................................................................................178 14.4.3 Mesures de la pression dans un écoulement........................................................................................179 14.4.4 Mesures des débits...............................................................................................................................181
Chapitre 15 Bilans de quantité de mouvement...................................................................................187
15.1 THÉORÈME DES QUANTITÉS DE MOUVEMENT POUR LES ÉCOULEMENTS STATIONNAIRES ISOVOLUMES.........187 15.1.1 Établissement de la relation intégrale..................................................................................................187 15.1.2 Cas particulier des écoulements internes.............................................................................................188 Cas des écoulements internes stationnaires de fluides isovolumes.................................................................189 15.2 EXEMPLES D'APPLICATION...........................................................................................................................191 15.2.1 Poussée dans un coude.........................................................................................................................191 15.2.2 Perte de charge dans un élargissement brusque...................................................................................193 15.2.3 Puissance d'une hélice.........................................................................................................................195
Annexe 1 Coordonnées cartésiennes....................................................................................................200
Annexe 2 Coordonnées cylindriques....................................................................................................202
Annexe 3 Coordonnées sphériques.......................................................................................................204
Annexe 4 Propriétés physiques des fluides..........................................................................................206
Bibliographie sommaire........................................................................................................................213
Ouvrages conseillés pour les Travaux en Autonomie.........................................................................213
VI VIChapitre 1 Vecteurs et tenseurs
Ce chapitre présente l'essentiel des notions mathématiques portant sur les opérateurs vectoriels et tensoriels et la
notation indicielle, qui est largement utilisée dans le cours de Mécanique des Fluides.On consultera les références [1] ou [6] pour une présentation plus rigoureuse et plus détaillée.
1.1 Vecteurs
1.1.1 Espace vectoriel Euclidien
La Cinématique Classique est construite à partir de l'espace euclidienE de dimension 3 dont les éléments sont
des points et d'une définition du temps, ou chronologie, le temps étant représenté par la variable réelle t. À un
couple de points (P,Q) correspond un élément xr d'un espace vectoriel euclidien E de dimension 3, soit (P,Q)xPQ®®=r. On définit le produit scalaire de xr et de yr , notéxyrrg, comme l'application bilinéaire symétrique
de (ExE) dans l'ensemble des réels R dont la forme quadratique est définie positive: (axby)za(xz)b(yz)+=+rrrrrrrggg, (a,b)"ÎR, xyyx=rrrrgg2xxx0=³rrrg
Ayant fait le choix d'une base
123e,e,errr ou ier (i=1, 2, 3) de E, xr s'exprime sous forme de la combinaison
linéaire:3112233ii
i1xxexexexe= ++=årrrrr (1.1) où les x i sont les composantes de xr. La base est orthonormée si et seulement si ijije.e=drr (i, j = 1, 2, 3) où ijd est le symbole de Kronecker 112233 ij 1 2 2 1321siij(1)0siij(...0)==d=d=d=
ìd=í=¹d=d==d=î
Les ijd sont les éléments de la matrice unité. Sauf mention explicite contraire, nous n'utiliserons dans ce cours que
des bases orthonormées. 2 21.1.2 Convention de l'indice muet
On convient d'écrire la relation (1.1) sous la forme: iixxe=rr (1.2)Selon cette convention (dite convention d'Einstein), lorsqu'un indice est répété 2 fois dans un monôme, ce
monôme représente en fait la somme de tous les termes obtenus en donnant à cet indice les valeurs 1, 2, 3. L'indice i
dans (1.2) est dit muet car la lettre qui le représente est sans importance; par exemple, iijjxyetxy désignent le même produit scalaire xyrrg.Il n'est pas inutile de préciser ici quelques indications sur l'utilisation de cette convention d'écriture.
Dans une relation,
un indice non muet est dit franc; il ne peut apparaître qu'une seule fois dans un même monôme. Ainsi dans la relation iijjTn=S (1.3) i est un indice franc alors que j est un indice muet.? Il faut toujours désigner un indice muet par une lettre différente de celles qui sont utilisées pour les indices
francs.Notons que (1.3) exprime que Tr est une forme linéaire de nr et la matrice ijS représente dans la base considérée
l'opérateur linéaire Tn®rr. En supposant qu'on ait aussi iijjnAm= alors la substitution dans (1.3) devra s'écrire iijjkkTAm=S? Ceci montre clairement que 2 indices muets qui interviennent dans le même monôme doivent toujours être
désignés par 2 lettres différentes.1.1.3 Changement de base
Soient *
ier et ier deux bases orthonormées de E. Les vecteurs * ier peuvent naturellement s'exprimer comme des combinaisons linéaires des vecteurs 123e,eeterrr: *iijjePe=rr (1.4) En multipliant scalairement les deux membre de (1.4) par ker il vient *ikijjkijjkike.ePe.ePP==d=rrrr et l'on observe que ikP est à la fois la composante de * ier sur ker dans la base 123(e,e,e)rrr et aussi la composante de ker sur * ier dans la base *** 123(e,e,e)rrr. On peut donc écrire:
i j ijePe=rr (1.5) 33 La comparaison de (1.4) et (1.5) montre que les matrices transposées ijP et jiP sont également réciproques;
elles sont donc orthogonales. Ceci s'écrit en notation indicielle: ikjkijkikjijPP;PP=d=d et en notation matricielle: P PT = PT P = 1Désignons par
ix et * ix les composantes d'un même vecteur xr dans les bases ier et * ier; on obtient en utilisant (14) et (15): ***iiiijjjj i i i j i j jjxxexPexe x x e xP e xe=== ==rrrr r rrr ce qui donne les relations de changement de base: *iijj i j ijxPx x Px= et en notation matricielle: **Txx xx= =rr rrP P1.2 Tenseurs
1.2.1 Définitions
Un tenseur
S du second ordre est un opérateur linéaire qui fait correspondre à tout vecteur nr de E un vecteur Tr de E et l'on écrit T(n)L=rr. Il est défini de manière unique par les 3 vecteurs:
iijj(e)TeL=rrc'est-à-dire par les 9 nombres ijT appelés composantes du tenseur dans la base orthonormée ier, ou encore par la
matrice T d'éléments ijT. La donnée de 2 vecteurs Ar et Br permet de définir un tenseur par l'application linéaire nA(B.n)®rrrr (1.6)Ce tenseur est le produit tensoriel de Ar et Br. On le note ABÄrr et ses composantes sont simplement ijAB.
Les produits tensoriels de 2 vecteurs forment un sous-ensemble de l'espace vectoriel des tenseurs d'ordre 2
(espace à 9 dimensions) qui contient en particulier les 9 éléments ijeeÄrr, (i, j = 1, 2, 3)qui sont linéairement indépendants dans l'espace des tenseurs d'ordre 2. On peut en particulier écrire un tenseur du
second ordre quelconque sous la forme ijijeeS=SÄrr (1.7) 4 4Le tenseur défini par l'application identité est dit tenseur unité ou tenseur d'isotropie et noté 1. Il est représenté
dans toute base orthonormée par ses composantes ijd (matrice unité):Les notions précédentes se généralisent facilement pour définir les tenseurs d'ordres supérieurs. Ainsi un tenseur
d'ordre 3 est un opérateur linéaire qui à tout vecteur nr de E fait correspondre un tenseur du second ordre. Les écritures suivantes généralisent respectivement (1.6) et (1.7) nAB(C.n)®Ärrrrr ijkijkeeeG=GÄÄrrr (1.8) De la même manière, on peut considérer qu'un vecteur est un tenseur d'ordre 1: n(A.n)®rrr iiAAe=rr et qu'un scalaire est un tenseur d'ordre 0: n(n.n)®rrr iinnn=r1.2.2 Changement de base
Il s'agit de déterminer les composantes d'un tenseur dans une base orthonormée * ier connaissant ses composantes dans une autre base orthonormée ier. On écrit: i j i j i j ijeeeeS=SÄ=SÄrrrr. Or, compte tenu de (1.4) et (1.5) et de la linéarité du produit tensoriel i j i k jkeePPeeÄ=Ällrrrr i j k i jkeePPeeÄ=Ällrrrr on obtient k k i j i j k i k j ijPPetPPS=SS=Sllll qu'on peut encore écrire k**ijikjijkikjPPetPPS=SS=S llll (1.9) soit en notation matricielle **TTet==SSSSPPPP 5 51.2.3 Opérations sur les tenseurs
a) Multiplication tensorielleSoient un tenseur ABS=Ärr d'ordre 2 et un tenseur Vr d'ordre 1. On définit le produit tensoriel de S et de Vr
parV(AB)VABVSÄ=ÄÄ=ÄÄrrrrrrr (1.10)
où VSÄr est un tenseur d'ordre 3 que nous noterons G. On écrira donc sous forme indicielle dans la base orthonormée ier ou encore ijkijijkkijkijk(ee)(Ve)VeeeG=SÄÄ=SÄÄrrrrrr (1.11)Les composantes du tenseur G s'obtiennent donc par simple produit des composantes de S et Vr dans la base
commune ijkijkVVG=SÄ"G=Sr (1.12)Le résultat du produit tensoriel de 2 tenseurs respectivement d'ordre n et m est un tenseur d'ordre n+m.
b) ContractionÀ un tenseur d'ordre n on peut faire correspondre un tenseur d'ordre n-2 par contraction de deux indices francs
voisins en deux indices muets. La convention de sommation (cf. §1.1.2) est alors appliquée.• Remarque 1: La contraction du tenseur unité du second ordre ijij1ee=dÄrr est le scalaire
ii3d=. (1.13)• Remarque 2: Le scalaire représenté par la contraction des 2 indices d'un tenseur S d'ordre 2 est appelé la
trace de ce tenseur et noté Tr{S};Tr{S}=kkS. (1.14)
c) Transposition À partir d'un tenseur du second ordre ijijeeS=SÄrr, on définit le tenseur transposé TS par transposition des 2
indices: ijjijiijT e e eeS=SÄ=SÄrrrrLes matrices représentant S et T
S dans la base ier sont dites transposées l'une de l'autre 66 ijjiTS=S (1.15)
Un tenseur est dit symétrique s'il est égal à son transposé: ijjiS=S (1.16) Un tenseur est dit antisymétrique s'il est égal à l'opposé de son transposé: ijjiS=-S (1.17) La partie symétrique (ou paire) et la partie antisymétrique (ou impaire) d'un tenseur S sont définies respectivement par sT1()2S=S+S ou ijsijji1()2S=S+S (1.18) aT1()2S=S-S ou ijaijji1()2S=S-S (1.19) si bien que saS=S+S et saT S S -S d) Multiplication contractéeLe produit tensoriel contracté s'introduit naturellement en opérant dans la multiplication tensorielle une
contraction sur le dernier indice du 1er tenseur et le 1er indice du deuxième. L'opération correspondante est notée
par un point. • Notation intrinsèque: RST=g • Notation matricielle: R = S T • Notation indicielle: ijikkjRST= En reprenant l'exemple du § 1.2.3-a, la relation (1.10) devient:V(AB)VABVS=Ä=Ärrrrrrrggg (1.20)
où VSrg est un tenseur d'ordre 1 (un vecteur) que nous noterons Ur. On écrira donc sous forme indicielle dans la
base orthonormée ier ou encore iiijijkkijjiUe(ee)(Ve)Ve=SÄ==Srrrrrg (1.21) Les composantes de Ur dans la base ier sont donc iijjUV=SLe résultat du produit contracté de 2 tenseurs respectivement d'ordre n (n=1) et m (m=1) est un tenseur d'ordre
n+m-2.quotesdbs_dbs31.pdfusesText_37[PDF] mécanique des structures exercices corrigés
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