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PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique des uidesoctobre 2013Td correction Bilans en mecanique des uides
I Jet d'eau sur une plaqueD
mD 1D 2~v h a.L'ecoulement est incompressible et permanent. L'ecoulement est unidimensionnel, on peut donc prendre~vvx~ex, donc l'equation d'Euler s'ecrit p~vÝÝÑgradq~vvxBvxBx~ex ÝÝÑgradPOr, le
uide etant incompressible, div~v0 doncBvxBx0
et doncÝÝÑgradPÝÑ0
La pression est donc constante dans les zones ou l'ecoulement est unidimensionnel. Par ailleurs, par continuite, a l'interface eau-air,PP0, donc la pression dans les zones d'ecoulement unidimensionnel est egale a la pression atmospherique. b.On fait un bilan de moment cinetique, puisque la plaque est susceptible de tourner autour de l'axe en choisissant le systeme suivant at, le systeme est constitue parfla plaque, l'eau contenue dans la surface g(S0) etfl'eau entrant entretettdtdans la surface enAg(S1de massemA), atdt, le systeme est constitue parfla plaque, l'eau contenue dans la surface g(S0) etfl'eau sortant entretettdtde la surface enB(S2Bde massemB) etC(S2Cde massemC)g.AB CO HyzOn calcule le moment cinetique par rapport a at
L ptq LS0ptq mApÝÑOA^~vAq ~exLS0ptq mAppÝÝÑOHÝÝÑHAq ^v~eyq ~ex 1 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique des uidesoctobre 2013ÝÝÑHAest porte par~eydonc
L ptq LS0ptq mAph~ez^v~eyq ~exLS0ptq mAvh On calcule ensuite le moment cinetique par rapport a atdt L ptdtq LS0ptdtq mBpÝÝÑOB^~vBq ~exmCpÝÝÑOC^~vCq ~exOr enB, la vitesse est colineaire aÝÝÑOB, enCla vitesse est colineaire aÝÝÑOC, donc
L ptdtq LS0ptdtq On peut donc ecrire la variation du moment cinetique DLLptdtq Lptq LS0ptdtq LS0ptq mavh
L'ecoulement est etudie en regime permanent, avec un debit massique tel quemADmdt, donc DL Dmdtvh et donc DLDt Dmvh Il reste a faire l'inventaire des actions exterieures et de leur moment : la pression est la m ^emeen tout p ointen tourantle syst eme,et egale aP0, donc son moment est nul, la r eactionau niv eaude l'axe es tune force qui passe par O, donc son moment est nul, le p oids,don tle momen test apri orinon n ul. Le poids s'applique au centre de gravite de la plaque, donc M P pÝÝÑOG^m~gq ~exmppÝÝÑOHÝÝÑHGq ^ pg~ezq ~ex donc MP mgHG mglsin
On en deduit donc, en appliquant le theoreme du moment cinetique D mvhmglsinñsinDmvhmgl c.Le uide est incompressible, donc le debit volumique est conserve D mD1D2Par ailleurs, l'ecoulement etant incompressible, parfait et permanent, on peut appliquer le theoreme de
Bernoulli en negligeant l'eet de la pesanteur
P A12 v2APB12 v2BPC12 v2CCommePAPBPCP0,
vAvBvCv
On fait un bilan de quantite de mouvement qui a pour objectif de relier la variation de quantite de mouvement du uide a la force de pression exercee sur la plaque. Le systeme est donc le m^eme qu'a la 2 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique desuidesoctobre 2013question precedente, hormis la plaque. Le systemeS0est donc constitue uniquement par le
uide contenu dans , de quantite de mouvement~p0ptq.A l'instantt
~pptq ~p0ptq mA~vA~p0ptq Dmdt~vA et a l'instanttdt ~pptdtq ~p0ptdtq mB~vBmC~vC~p0ptq D1dt~vBD2dt~vC donc D~pDtD1~vBD2~vCDm~vA
La force de pesanteur etant neglige, seule la force de pression s'exerce. En particulier, compte tenu du
caractere parfait du uide, la force de surface s'exercant sur le uide de la part de la plaque se reduit a la pressionP(pas de viscosite). On peut alors ecrire F¿PdÝÑS
ouPest variable. On transforme cette integrale F¿P0dÝÑS¿
pPP0qdÝÑ?La premiere integrale est nulle, puisque c'est l'integrale sur une surface fermee d'une pression constante.
La deuxieme integrale est non nulle quandPP0, donc au contact entre la plaque et le uide, d'ouF ¿
plaque pPP0qdÝÑSOn a donc
plaque pPP0qdÝÑSD1~vBD2~vCDm~vA que l'on projette le long de la plaque0D1vD2vDmsinv
On a donc nalement le systeme suivant
"D1D2Dm D1D2DmsinñD1Dmp1sinq2
et D2Dmp1sin2II Force exercee sur un coude de canalisation
On va faire un bilan de quantite de mouvement sur la systeme ferme suivant at, le systeme est constitue du uide compris entre les surfacesS1etS2(systemeS0de massem0), plus le uide qui va entrer a travers la surfaceS1entretettdt(systemeS1, de massem1), atdt, le systeme est constitue deS0, plus le uide sortant par la surfaceS2(systemeS2de masse m 2. 3 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique des uidesoctobre 2013Par conservation de la masse totale du systeme mptdtq mptq m0m2m0m1m2m10ñm2m1mOn eectue le bilan de quantite de mouvement, at
~pptq ~p0m~v1 et atdt ~pptdtq ~p0m~v2 ce qui donneD~pmp~v2~v1q Ddtp~v2~v1q
et doncD~pDtDp~v2~v1q
Par ailleurs, les forces s'exercant sur le systeme sont : le p oidsÝÑPM~g, la force de pression motrice en S1:P1S1~ex, la force de pression r esistanteen S2:P2S2pcos~exsin~eyq la r eactionde la canalisation ÝÑR. de sorte que Dv2pcos~exsin~eyq Dv1~exM~gP1S1~exP2S2pcos~exsin~eyq ÝÑR
La force exercee par le
uide sur la canalisation est donnee par ÝÑF ÝÑRDv2pcos~exsin~eyq Dv1~exMg~eyP1S1~exP2S2pcos~exsin~eyq que l'on projette sur les deux axes pour obtenir les composantes "FxDv2cosDv1P1S1P2S2cos F yDv2sinMgP2S2sin Dans des conditions classiquesS1S2S,P1P2P0, et pour un uide incompressible, par conservation du debit,v1v2v "FxDvcosDvP0SP0Scos F yDvsinMgP0Ssin et en regroupant les termes "Fx pDvP0Sqpcos1q F y pDvP0SqsinMg 4 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique des uidesoctobre 2013IIIEolienne/helice
1 2x 1xS AS B~v A~v A~v A~v B~v~v P 0P 0a.Le uide est incompressible, donc le debit est conservatif, et donc SAvASBvBSv
b.On applique le theoreme de Bernoulli entreAet un point de de 1 P 0v2A2 P1v22ñP1P0v2A2
v22De m^eme entre un point de
2etB P 0v2B2 P1v22ñP2P0v2B2
v22On denit le systeme suivant :
at, le volume compris entre 1et 2(S0, de quantite de mouvement~p0ptq m0~vptq) + le uide rentrant dansS0entretettdt(S1, de massem1), atdt, le volume compris entre 1et 2(S0, de quantite de mouvement~p0ptdtq m0~vptdtq) + le uide sortant deS0entretettdt(S2, de massem2), On fait un bilan de quantite de mouvement sur ce systeme ~pptq ~p0m1~v ~pptdtq ~p0m2~v En regime stationnaire,~p0ptq ~p0ptdtq, etm1m2(conservation de la masse) donc D~pDtÝÑ0
Les forces qui agissent sur le systeme sont les forces de pression et l'action de l'helice sur le uideÝÑF, donc
FP1S~exloomoon
moteurP2S~exloomoon resistant0ñÝÑFS~expP2P1q S~exv2B2 v2A2La force exercee par l'helice sur le
uide est donc positive (et donc fournit un travail positif au uide, fonctionnement en moteur) siP2¡P1ou sivB¡vA, et doncSB SA. La vitesse d'ejection du uide est plus grande en sortie qu'en entree.Inversement, La force exercee par l'helice sur le
uide est negative (et donc fournit un travail negatif au uide, fonctionnement en eolienne/generatrice) siP1 P2ou sivB vA, et doncSB¡SA. La vitesse d'ejection du uide est plus petite en sortie qu'en entree, et on preleve de l'energie cinetique du vent pour faire tourner l'helice. 5 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique desuidesoctobre 2013c.On choisit un nouveau systeme dans lequel les pressions sont identiques sur les deux faces, soit :
at, le volume compris entreSAetSB(S0, de quantite de mouvement~p0m0~v) + le uide rentrant dansS0entretettdt(S1, de massem1), atdt, le volume compris entreSAetSA(S0, de quantite de mouvement~p0m0~v) + le uide sortant deS0entretettdt(S2, de massem2), on est toujours en regime permanent donc~p0ptq ~p0ptdtq, et , etm1m2m, doncD~pmp~vB~vAq Dmdtp~vB~vAq
Le debit volumique pour un
uide incompressible est donne parDmSAvASBvBSv. On a alorsD~pDtDmp~vB~vAq
La pression etant la m^eme sur tout le systeme, la resultante des forces de pression est nulle, la seule force
exercee sur le systeme est la force exercee par l'heliceFDmp~vB~vAq Svp~vB~vAq
En projetant sur l'axeOxet en utilisant le resultat de la question precedenteSvpvBvAq Sv2B2
v2A2 donc vvAvB2 d.On calcule la puissance a partir de la valeur deÝÑF PFÝÑF~vSvpvBvAqvAvB2
Dm2 pv2Bv2Aq qui est une fonction env3! On peut aussi utiliser le premier principe de la thermodynamique, applique au systeme at, le volume compris entreSAetSB(S0) + le uide rentrant dansS0entretettdt(S1, de massem1), atdt, le volume compris entreSAetSA(S0) + le uide sortant deS0entretettdt(S2, de massem2), dUdEcWQ Le uide etant parfait, il n'y a pas de chaleur echangee (adiabaticite) donc dUdEcWpressionWfOn calcule a variation d'energie interne
dUUptdtq Uptq US0US2 pUS0US1q DmdtpuS2uS1qL'energie interne massique ne varie pas car le
uide est dans le m^eme etat thermodynamique enAetB, donc dU0 6 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique des uidesoctobre 2013La variation d'energie cinetique vaut dE cEcptdtq Ecptq EcS0EcS2 pEcS0EcS1q DmdtpecS2ecS1q Dmdt2 pv2Bv2Aq La puissance des forces de pression vautPpressionÝÑFpression~v, soit au total W pressionPpressiondtdtpP0SAvAP0SBvBq 0Finalement
Dmdt2 pv2Bv2Aq WFPFdtñPFDm2 pv2Bv2Aq III.1 Application a la propulsion d'un vaisseau (bateau ou avion)e.Le referentiel du vaisseau est galileen, puisqu'il est en translation rectiligne dans un referentiel suppose
galileen. On a alors, dans ce referentiel, pour les vitesses du uide ~vA ~uu~exet ~vB~ve~u pveuq~ex
La puissance fournie par l'helice vaut alors
P FDm2 pv2Bv2Aq Dm2 ppveuq2u2q Dm2 pv2e2veuq PmLa puissance fournie a la coque est la puissance fournie par l'helice a la coque du vaisseau. Dans le
referentiel du vaisseau, l'helice est immobile doncÝÑFhelice{fluideÝÑFhelice{bateauÝÑ0 , doncÝÑFhelice{bateau
ÝÑFhelice{fluide ÝÑFOn a alors
P u ÝÑF~uSup~vB~vAqu~exSu2pveq DmveuOn peut alors calculer
DmveuD
m2 pv2e2veuq2uv e2u22veu11ve2u
f.est maximal quandve0, mais dans ce cas il n'y a pas de propulsion! g.Avionveu0:35, bateauveu
1:33. Plus l'ecacite est importante, plus une faible vitesse d'ejection
permet d'obtenir une grande vitesse du vaisseau.III.2 Application a une eolienne
h.Le tube de courant a alors la forme suivante (voir question c.) 1 2x 1x 7 PSI Moissan 2013TD correction Bilans en mecanique desuidesoctobre 2013i.La puissance fournie sur l'arbre de l'eolienne est l'opposee de la puissance fournie par l'helice au
uide,carÝÑFhelice{fluideÝÑFhelice{arbreÝÑ0 , puisque l'helice n'a pas de mouvement de translation. On a donc
P Dm2 pv2Bv2Aq Svpv2Bv2Aq12 Spv2Bv2AqvAvB4 ce qui donne