Mécanique des milieux continus solides et fluides PDF

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Mecanique desm ilieuxc ontinus

solides et uides parEmmanuel Plauta Mines Nancy

Version du 3 decembre 2022 Table des matieres

Introduction9

1 Modele du milieu continu - Cinematique elementaire

1.1 Modele du milieu continu solide ou

uide 14

1.1.1 Quels milieux c'est-a-dire : quelle matiere et quelles echelles?

1.1.2 La perception continue resulte d'une prise de moyenne

1.1.3 Phenomenes de diusion de la matiere

1.2 Cinematique elementaire

1.2.1 Description eulerienne du mouvement

1.2.2 Description lagrangienne du mouvement

1.2.3 Liens entre ces deux descriptions - Trajectoires

1.2.4 Lignes de courant

1.2.5 Lignes d'emission

1.2.6 Cas d'un mouvement stationnaire ou permanent

1.2.7 Derivee particulaire d'un champ scalaire

1.3 Problemes

25
Pb. 1. 1 Etude de l'ecoulement potentiel autour d'un mobile cylindrique. . . . . . . . . . . . 25 Pb. 1. 2 Etude d'un probleme d'advection-diusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.4 Notes personnelles

2 Cinematique avancee : etude des deformations

31
2.1

Etude lagrangienne des deformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Transport lagrangien d'un petit segment : tenseur gradient de la transformation

2.1.2 Transport lagrangien d'un petit volume : jacobien de la transformation

2.1.3 Transport lagrangien d'un produit scalaire : tenseur des dilatations de Cauchy

2.1.4 Variation lagrangienne d'un produit scalaire :

tenseur des deformations de Green-Lagrange 36

2.1.5 Mouvements de solide indeformable : approche par etude directe

2.1.6 Champ de deplacements - Hypothese de petite transformation

2Table des matieres2.1.7 Petites deformations - Tenseur des deformations linearise. . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.8 Deplacements d'un solide indeformable

2.1.9 Decomposition locale d'un champ de deplacements general

41
2.2

Etude eulerienne des deformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1 Transport d'un petit segment : tenseur gradient de vitesse

2.2.2 Transport d'un champ de vecteurs : derivee particulaire

2.2.3 Transport d'un petit volume : divergence de la vitesse

2.2.4 Transport d'un produit scalaire : tenseur des taux de deformation

2.2.5 Champs de vitesse d'un solide indeformable

2.2.6 Decomposition locale d'un champ de vitesse general

2.3 Liens entre les etudes lagrangiennes et euleriennes

2.3.1 Transport de petits vecteurs

2.3.2 Transport de petits volumes

2.3.3 Transport de produits scalaires

2.4 Exercices et probleme

47
Ex. 2. 1 : In terpretationde scom posantesd ut enseurd esdi latationsde Cauc hy 47
Ex. 2. 2 : In terpretationde sv ecteurspr opresd ut enseurd esdi latationsde Cauc hy 48
Pb. 2. 1 Etude d'un mouvement de cisaillement pur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.5 Notes personnelles

3 Bilans de masse et de quantite de mouvement - Contraintes

3.1 Transport de quantites integrees sur un volume

3.1.1 Formules globales impliquant une densite volumique

3.1.2 Transport de masse : conservation de la masse

3.1.3 Formule globale impliquant une densite massique

3.1.4 Transport de quantite de mouvement

3.2 Description des eorts interieurs - Tenseur des contraintes

3.2.1 Premiere version de la loi d'evolution de la quantite de mouvement -

Denition du vecteur contrainte

3.2.2 Imparite du vecteur contrainte vis-a-vis den. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

3.2.3 Tetraedre de Cauchy - Linearite du vecteur contrainte vis-a-vis den. . . . . . . . . .58

3.2.4 Tenseur des contraintes de Cauchy

3.2.5 Loi locale d'evolution de la quantite de mouvement

3.2.6 Rappels de dynamique : moment cinetique et couple

3.2.7 Loi d'evolution du moment cinetique - Symetrie du tenseur des contraintes

3.2.8 Diagonalisation du tenseur des contraintes - Representation de Mohr

3.2.9 Applications : contrainte tangentielle maximale - critere de Tresca

3.3 Exercices

67
Ex. 3. 1 : Rep resentationde Moh rd' un etatde con traintesp lanes 67
Ex. 3. 2 : Ret oursu rl em ouvementde ci saillementpu r: etuded escon traintes 68

3.4 Notes personnelles

Table des matieres34 Solides elastiques71

4.1 Loi de comportement elastique lineaire isotrope

4.1.1 Mise en evidence par une experience de traction

4.1.2 Approche par essais-erreurs basee sur l'etude de la traction pure

74
4.1.3 Ecriture de la loi contraintes!deformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.1.4 Ce que nous apprend le cas du cisaillement pur

78
4.1.5 Ecriture de la loi deformations!contraintes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.6 Et la masse volumique dans tout cela?

4.1.7 Ce que nous apprend le cas d'une compression pure

4.2 Problemes d'elasticite linearise : generalites

4.2.1 Conditions limites regulieres

4.2.2 Linearite : principe de superposition

4.2.3 Conditions limites globales - Principe de Saint Venant

4.2.4 Solutions analytiques (+ ouexactes) ou numeriques?. . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3 Methode des deplacements -

Equation de Navier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4 Methode des contraintes

4.5 Ouverture : tenseur des coecients elastiques - cas de materiaux anisotropes

4.6 Problemes

85
Pb. 4. 1

Etude d'un barreau parallelepipedique en

exion pure. . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Pb. 4. 2 Etude de contacts rectilignes avec forces de compression. . . . . . . . . . . . . . . . 88 Pb. 4. 3 Etude d'un systeme d'accouplement elastique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Pb. 4. 4 : D imensionnementd' unt uyauc ontenantun uidesou sp ression 94
Pb. 4. 5 Etude et dimensionnement de coques sous pression pour un sous-marin. . . . . . . 96 Pb. 4. 6 Equilibre d'un disque en rotation rapide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Pb. 4. 7 : P outresc ylindriquesf ragilessol liciteesen t raction-torsion 102
Pb. 4. 8 : On desp ropagativesdan su nsol ide elastique 105

4.7 Notes personnelles

107

5 Analyse dimensionnelle appliquee a la mecanique des solides

109

5.1 Principes de l'analyse dimensionnelle

109

5.1.1 Dimensions physiques

109

5.1.2 Mesure des grandeurs physiques - Systemes d'unites

110

5.1.3 Necessaired'une equation physique. . . . . . . . . . 111

5.1.4 Retour sur le choix d'un systeme d'unites - Privilegier l'international!

112

5.1.5 Theoremede Vaschy-Buckingham. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.2 Application : modelisation d'un probleme d'impact elastique

117

5.2.1 Mise en place du modele : recensement des grandeurs physiques

117

5.2.2 Commentaire general

118
5.2.3 Etude et reduction des parametres de contr^ole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.2.4 Consequence : proprietes desimilitude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

5.2.5 Verication a l'aide d'experiences numeriques - Courbe ma^tresse

120

5.3 Application : etude du

ambement d'une poutre cylindrique 121

5.3.1 Mise en place du modele : recensement des grandeurs physiques

121

4Table des matieres5.3.2

Etude et reduction des parametres de contr^ole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.3.3 Consequence : proprietes desimilitude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

5.3.4 Obtention d'une loi de seuil de

ambement 122

5.3.5 Complements

123

5.4 Probleme

124
Pb. 5. 1

Etude de poutres en

exion plane - Modele d'Euler - Bernoulli. . . . . . . . . . . . 124

5.5 Notes personnelles

128

6 Bilan d'energie cinetique - Cas des solides elastiques

129

6.1 Bilan global d'energie cinetique

129

6.2 Cas d'un milieu continu solide

131

6.2.1 Bilan d'energie cinetique en petits deplacements et petite transformation

131

6.2.2 Cas d'un solide isotrope elastique en regime lineaire

132

6.2.3 Remarques de conclusion

133

6.3 Problemes

133
Pb. 6. 1 Etude d'un lopin cylindrique en compression dans un conteneur rigide. . . . . . . . 134 Pb. 6. 2 : The rmoelasticite- Ap plication aun t uyausou sp ressionet c hargementt hermique 136

6.4 Notes personnelles

139

7 Fluides newtoniens141

7.1 Bilans de masse et de quantite de mouvement

141

7.1.1 Retour sur la formule de transport d'une quantite extensive

141

7.1.2 Transport de masse : notions de debits - incompressibilite

143

7.1.3 Transport de quantite de mouvement

144

7.2 Loi de comportement des

uides newtoniens incompressibles 145
7.2.1 Etablissement a partir de faits experimentaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.2.2 Limitations du modele : eets de compressibilite - eets non newtoniens

148
7.3

Equation de Navier-Stokes - Premieres proprietes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

7.3.1 Premiere forme de l'equation de Navier-Stokes

150

7.3.2 Conditions limites

151

7.3.3 Forme faisant appara^tre la pression motrice

151

7.3.4 Application : loi de l'hydrostatique

152

7.3.5 Reecritures possibles du terme non lineaire - Vorticite

152

7.4 Modele du

uide parfait 153

7.4.1 Le

uide parfait : modele general pour l'hydrostatique, tres simplie pour l'hydrodynamique 153
7.4.2 Equation d'Euler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

7.4.3 Conditions limites

153

7.4.4 Premier theoreme de Bernoulli

154

7.4.5 Dynamique de la vorticite

155
7.4.6 Ecoulements irrotationnels et potentiels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7.4.7 Second theoreme de Bernoulli

156

7.5 Proprietes des ecoulements de

uides newtoniens 156

Table des matieres57.5.1

Ecoulementsou non, laminaires ou turbulents. . . . . . . . . . . . . . . 156

7.5.2 Bilan d'energie cinetique general - Dissipation visqueuse

158

7.5.3 Bilan d'energie cinetique dans un ecoulement ouvert : pertes et gains de charge

160

7.6 Remarques de conclusion

165

7.7 Exercices et problemes

165
Ex. 7. 1 : Bi land ef orceg enerale nh ydro-ou a erostatique 165
Ex. 7. 2 : Cal cult ress impliede l 'altitudeatt eintepar un b allond' heliuml este 166
Ex. 7. 3 : Hy drostatique: etudede de uxman ometresd ierentiels 166
Ex. 7. 4 Etude de l'ecoulement laminaire dans un tuyau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Pb. 7. 1 Etude et calcul d'ecoulements en tuyau par methode semi-globale. . . . . . . . . . 168 Ex. 7. 5 Equilibre d'un liquide en rotation autour d'un axe vertical. . . . . . . . . . . . . . . 169 Ex. 7. 6 Etude de l'etablissement d'un ecoulement de Couette plan. . . . . . . . . . . . . . . 170 Pb. 7. 2 Etude d'un rheometre de Couette cylindrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Pb. 7. 3 : Bi lansde for ceet d ec hargep ourl esp ompiers 171
Pb. 7. 4 : L evitationd 'unev oiturep arr eactiond ej etsd' eau 173
Pb. 7. 5 Etude de la vidange d'un reservoir par un tuyau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Pb. 7. 6 : St ationd eT ransfertd ' Energie par Pompage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

7.8 Notes personnelles

181

8 Analyse dimensionnelle appliquee a la mecanique des

uides 183
8.1

Etude de l'ecoulement autour d'un cylindre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

8.1.1 Mise en place du modele : recensement des grandeurs physiques

183

8.1.2 Commentaire general

184
8.1.3 Etude et reduction des parametres de contr^ole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

8.1.4 Premiere consequence : proprietes desimilitudesde cet ecoulement. . . . . . . . . . . 185

8.1.5 Application du theoreme: regles de similitude pour la tra^nee. . . . . . . . . . . . . 185

8.2

Etude de l'ecoulement dans un tuyau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

8.2.1 Mise en place du modele : recensement des grandeurs physiques

188
8.2.2 Etude et reduction des parametres de contr^ole - Regimes d'ecoulement. . . . . . . . . 189

8.2.3 Application du theoreme: regles de similitude pour les pertes de charge. . . . . . . 190

8.2.4 Coecient de pertes de charge - Cas laminaire et turbulents

190

8.3 Conclusion : nombres adimensionnels en mecanique des

uides 192

8.4 Exercices et problemes

194
Ex. 8. 1 : P ertede c harger egulieredan su nt uyaude p ompier 194
Ex. 8. 2 Etude par analyse dimensionnelle d'un deversoir triangulaire. . . . . . . . . . . . . 194 Ex. 8. 3 : Si militudep ourl 'etuded esp erformancesd' uneh eliced 'avion 195
Ex. 8. 4 : Si militudede l^ achersde v ortexde B enard-Von-Karman 196
Pb. 8. 1 Eoliennes a axe horizontal : analyse dimensionnelle et modele de Betz. . . . . . . . 197 Pb. 8. 2 Etude d'une pale d'eolienne bloquee soumise a un vent fort. . . . . . . . . . . . . . 202

8.5 Notes personnelles

206

Bibliographie207

6Table des matieresA Fondements de la cinematique209

A.1 Mouvements de solide indeformable : approche par etude des deformations 209
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