Conservation de la masse pour un fluide
Contexte : Le principe de conservation de la masseUn principe fondamental stipulant que la masse d'un système isolé reste constante au cours du temps, quoi qu'il se passe à l'intérieur du système. En hydraulique, cela signifie que la masse de fluide qui entre dans une section de conduite doit en ressortir..
Cet exercice explore l'un des principes les plus fondamentaux de la mécanique des fluides : la conservation de la masse, souvent traduite par l'équation de continuité. Nous allons étudier le cas de l'eau, considérée comme un fluide incompressibleUn fluide dont la masse volumique est considérée comme constante. La plupart des liquides, comme l'eau, sont traités comme incompressibles dans les calculs hydrauliques courants., s'écoulant dans une conduite qui subit un rétrécissement. Vous verrez comment la vitesse du fluide est affectée par le changement de diamètre de la canalisation.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à appliquer l'équation de continuité pour déterminer la vitesse d'un fluide dans une conduite de section variable, une compétence essentielle pour le dimensionnement des réseaux hydrauliques.
Objectifs Pédagogiques
- Appliquer l'équation de continuité pour un fluide incompressible.
- Calculer l'aire de sections circulaires et le débit volumique.
- Comprendre et calculer la relation inverse entre la section d'écoulement et la vitesse du fluide.
Données de l'étude
Fiche Technique
Caractéristique | Valeur |
---|---|
Fluide | Eau (considérée comme incompressible) |
Masse Volumique (\(\rho\)) | 1000 kg/m³ |
Régime d'écoulement | Permanent |
Schéma de la conduite avec rétrécissement
Paramètre | Description | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
D₁ | Diamètre de la section d'entrée | 200 | mm |
V₁ | Vitesse moyenne à l'entrée | 2 | m/s |
D₂ | Diamètre de la section de sortie | 100 | mm |
Questions à traiter
- Calculer l'aire de la section d'entrée A₁.
- Calculer le débit volumique Qᵥ dans la conduite.
- En appliquant le principe de conservation de la masse, que peut-on dire du débit volumique dans la section de sortie ?
- Calculer l'aire de la section de sortie A₂.
- En déduire la vitesse moyenne V₂ dans la section de sortie.
Les bases sur la Conservation de la Masse
Le principe de conservation de la masse appliqué à un fluide en écoulement dans une conduite stipule que la masse de fluide qui entre dans un volume de contrôle (une section de la conduite) est égale à la masse qui en sort, pour un écoulement permanent.
1. Débit Massique (\(Q_m\))
Le débit massique est la masse de fluide qui traverse une section par unité de temps. Il se conserve tout au long de la conduite : \( Q_{m1} = Q_{m2} \). Il se calcule par :
\[ Q_m = \rho \cdot A \cdot V \]
Où \( \rho \) est la masse volumique, A l'aire de la section, et V la vitesse.
2. Équation de Continuité
Pour un fluide incompressible (\(\rho\) = constante), la conservation du débit massique implique la conservation du débit volumique (\(Q_v\)). C'est l'équation de continuité :
\[ Q_{v1} = Q_{v2} \quad \Rightarrow \quad A_1 \cdot V_1 = A_2 \cdot V_2 \]
Cette équation montre que si l'aire de la section diminue, la vitesse du fluide doit augmenter pour maintenir le débit constant.
Correction : Conservation de la masse pour un fluide
Question 1 : Calculer l'aire de la section d'entrée A₁.
Principe
Le concept physique est de quantifier l'espace disponible pour l'écoulement du fluide à l'entrée. Pour une conduite circulaire, cet espace est un disque dont l'aire dépend directement de son diamètre.
Mini-Cours
En géométrie euclidienne, l'aire d'un disque est proportionnelle au carré de son rayon (ou de son diamètre). C'est une propriété fondamentale qui lie une dimension (le diamètre) à une surface (l'aire).
Remarque Pédagogique
Avant tout calcul complexe, commencez toujours par déterminer les caractéristiques géométriques de base du système. Ici, l'aire est la première étape indispensable avant de pouvoir parler de débit.
Normes
Le calcul d'une aire est une opération mathématique universelle et ne dépend pas d'une norme d'ingénierie spécifique. Cependant, toutes les normes (comme les Eurocodes) s'appuient sur ces formules de base pour les calculs de résistance ou d'hydraulique.
Formule(s)
L'outil mathématique pour trouver l'aire A d'un disque à partir de son diamètre D est :
Hypothèses
Le cadre du calcul repose sur une seule hypothèse simple :
- La section de la conduite est parfaitement circulaire.
Donnée(s)
Les chiffres d'entrée pour cette question se limitent au diamètre de la section 1.
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Diamètre d'entrée | \(D_1\) | 200 | mm |
Astuces
Pour aller plus vite, retenez que diviser le diamètre par 1000 pour passer de mm à m est une opération courante. De plus, mémoriser que \( \pi/4 \approx 0.785 \) peut être utile pour des estimations rapides.
Schéma (Avant les calculs)
Ce schéma représente la section d'entrée A₁ comme un disque, avec son diamètre D₁ indiqué.
Calcul(s)
Conversion du diamètre D₁ en mètres
Application de la formule de l'aire
Schéma (Après les calculs)
Le schéma de la section d'entrée est maintenant annoté avec la valeur calculée de son aire.
Réflexions
L'interprétation du résultat est que le fluide dispose d'une surface de passage de 0.0314 m² (environ 314 cm²) à l'entrée de la conduite. C'est une valeur concrète qui servira de base pour les calculs suivants.
Points de vigilance
L'erreur à éviter est d'oublier de mettre le diamètre au carré dans la formule, ou de se tromper dans la conversion d'unités (par exemple, convertir des mm² en m²).
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez :
- La formule de l'aire d'un disque : \( A = \pi D^2 / 4 \).
- La nécessité absolue de convertir toutes les longueurs en mètres avant le calcul.
Le saviez-vous ?
Le nombre Pi (\(\pi\)), essentiel à ce calcul, est un nombre irrationnel, ce qui signifie que ses décimales ne se terminent jamais et ne suivent aucune séquence répétitive. Les ingénieurs utilisent généralement une approximation comme 3.14159.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Pour vérifier votre compréhension, quelle serait l'aire (en m²) si le diamètre était de 300 mm ?
Question 2 : Calculer le débit volumique \(Q_v\) dans la conduite.
Principe
Le concept physique est de mesurer le "volume" d'eau qui passe à travers la section d'entrée chaque seconde. C'est une mesure de la quantité de fluide en mouvement.
Mini-Cours
Le débit volumique est une notion centrale en hydraulique. Il lie la géométrie de la conduite (son aire A) à la dynamique de l'écoulement (sa vitesse V). Un débit élevé peut signifier soit une grande conduite, soit un écoulement rapide, soit les deux.
Remarque Pédagogique
Le calcul du débit est l'étape qui fait le pont entre la statique (la géométrie de la conduite) et la cinématique (le mouvement du fluide). C'est une valeur clé pour le dimensionnement de tout système hydraulique (pompes, turbines, etc.).
Normes
Les normes de plomberie ou de génie civil (comme le DTU 60.1 en France) spécifient des débits réglementaires pour les appareils sanitaires et des vitesses maximales à ne pas dépasser dans les tuyauteries pour éviter le bruit et l'érosion.
Formule(s)
L'outil mathématique pour calculer le débit volumique \(Q_v\) est :
Hypothèses
Le cadre du calcul suppose :
- La vitesse \(V_1\) est uniforme (ou moyenne) sur toute la section \(A_1\).
- L'écoulement est permanent (le débit ne varie pas dans le temps).
Donnée(s)
Les chiffres d'entrée sont l'aire calculée précédemment et la vitesse donnée dans l'énoncé.
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Aire d'entrée | \(A_1\) | 0.0314 | m² |
Vitesse d'entrée | \(V_1\) | 2 | m/s |
Astuces
Pour vérifier l'ordre de grandeur, imaginez le volume : 0.0628 m³ correspond à un cube d'environ 40 cm de côté qui passerait chaque seconde. Cela permet de se représenter concrètement le flux.
Schéma (Avant les calculs)
Ce schéma illustre le concept de débit : la surface A₁ traversée par le fluide à une vitesse V₁.
Calcul(s)
Calcul du débit volumique
Schéma (Après les calculs)
Ce schéma représente le volume d'eau (un cylindre de longueur V₁ et de section A₁) qui traverse la section en une seconde.
Réflexions
Un débit de 0.0628 m³/s est équivalent à 62.8 litres par seconde. C'est un débit conséquent, typique d'une conduite principale d'adduction d'eau.
Points de vigilance
Assurez-vous que l'aire est en m² et la vitesse en m/s. Toute autre unité mènera à un résultat de débit incorrect. Ne confondez pas débit volumique (\(\text{m}^3/\text{s}\)) et débit massique (\(\text{kg/s}\)).
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez :
- La définition du débit volumique : \( Q_v = \text{Aire} \times \text{Vitesse} \).
- Son unité SI est le mètre cube par seconde (\(\text{m}^3/\text{s}\)).
Le saviez-vous ?
Le Nil, l'un des plus grands fleuves du monde, a un débit moyen d'environ 2830 m³/s. Le débit de notre petite conduite est donc environ 45 000 fois plus faible !
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si la vitesse à l'entrée était de 3 m/s (avec le même diamètre \(D_1\)), quel serait le nouveau débit (en m³/s) ?
Question 3 : Que peut-on dire du débit volumique dans la section de sortie ?
Principe
Le concept physique est celui de la conservation. La matière (ici, l'eau) ne peut ni être créée, ni disparaître à l'intérieur de la conduite. Ce qui entre doit donc ressortir.
Mini-Cours
Cette conservation est valable pour un "système fermé" en régime permanent. Notre conduite, entre la section 1 et la section 2, peut être vue comme ce système. Pour un fluide incompressible, la conservation de la masse se simplifie en conservation du volume, donc du débit volumique.
Remarque Pédagogique
C'est une étape purement conceptuelle mais absolument cruciale. Comprendre que le débit se conserve est la clé pour résoudre la suite de l'exercice. C'est une hypothèse fondamentale de l'hydraulique en charge.
Normes
Ce principe n'est pas une norme mais une loi fondamentale de la physique (Loi de Lavoisier), sur laquelle toutes les normes d'ingénierie des fluides sont construites.
Formule(s)
L'outil mathématique est une simple équation conceptuelle :
Hypothèses
Le cadre du calcul (ou plutôt du raisonnement) repose sur deux hypothèses majeures :
- Le fluide est incompressible (sa masse volumique est constante).
- L'écoulement est permanent (les conditions ne changent pas avec le temps).
- Il n'y a pas de fuites ni d'injections d'eau entre les sections 1 et 2.
Donnée(s)
La seule donnée utile est le débit calculé à la question précédente.
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Débit volumique d'entrée | \(Q_{v1}\) | 0.0628 | m³/s |
Astuces
Pas d'astuce de calcul ici, juste un principe à appliquer : "Débit constant".
Schéma (Avant les calculs)
Le schéma de la conduite montre un flux ininterrompu, illustrant que le débit entrant (\(Q_{v1}\)) doit être égal au débit sortant (\(Q_{v2}\)).
Calcul(s)
Il n'y a pas d'application numérique, c'est une conclusion logique issue du principe de conservation.
Schéma (Après les calculs)
Le schéma illustre la conclusion : le débit est le même en entrée et en sortie.
Réflexions
L'interprétation est que, bien que la forme de la conduite change, la quantité de fluide qui la traverse chaque seconde reste la même. Le débit est une propriété globale de l'écoulement dans cette conduite.
Points de vigilance
Attention, ce principe ne serait pas valable si le fluide était compressible (comme de l'air) car sa densité pourrait changer, ou si l'écoulement n'était pas permanent (par exemple, au démarrage d'une pompe).
Points à retenir
Le point essentiel à maîtriser est : Pour un fluide incompressible en régime permanent, le débit volumique est le même en tout point d'une conduite simple.
Le saviez-vous ?
Ce même principe de conservation s'applique à l'électricité avec la loi des nœuds de Kirchhoff : la somme des courants qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent. Le "débit" d'électrons se conserve !
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si on ajoutait une dérivation qui prélève 0.01 m³/s entre les sections 1 et 2, quel serait le débit dans la section 2 ?
Question 4 : Calculer l'aire de la section de sortie A₂.
Principe
Le concept est identique à la question 1 : quantifier l'espace disponible pour l'écoulement, mais cette fois-ci dans la section rétrécie.
Mini-Cours
La géométrie de la section transversale est un paramètre clé qui influence directement les conditions d'écoulement. Comme nous le verrons, cette réduction d'aire aura une conséquence directe et importante sur la vitesse du fluide.
Remarque Pédagogique
Cette étape est la symétrique de la question 1. En la réalisant, vous confirmez votre maîtrise du calcul de base des propriétés géométriques, essentiel avant d'analyser les effets de ce changement de géométrie.
Normes
Les diamètres des canalisations sont normalisés (par exemple, la norme ISO 4200). Le diamètre de 100 mm (DN 100) est une dimension standard très courante.
Formule(s)
L'outil mathématique est toujours le même :
Hypothèses
L'hypothèse reste que la section de sortie est parfaitement circulaire.
Donnée(s)
Le chiffre d'entrée est le diamètre de la section 2.
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Diamètre de sortie | \(D_2\) | 100 | mm |
Astuces
Comme \(D_2\) est la moitié de \(D_1\), on peut prévoir que l'aire \(A_2\) sera le quart de \(A_1\). C'est une bonne façon de vérifier son calcul : \( A_2 \approx A_1 / 4 = 0.0314 / 4 \approx 0.00785 \; \text{m}^2 \).
Schéma (Avant les calculs)
Ce schéma représente la section de sortie A₂, plus petite, avec son diamètre D₂ indiqué.
Calcul(s)
Conversion du diamètre D₂ en mètres
Application de la formule de l'aire
Schéma (Après les calculs)
Le schéma de la section de sortie est maintenant annoté avec la valeur calculée de son aire.
Réflexions
L'interprétation du résultat montre que l'aire de passage a été réduite à 0.00785 m² (environ 78.5 cm²). Cette forte réduction va forcer le fluide à accélérer.
Points de vigilance
La principale erreur serait de mal reporter la valeur du diamètre D₂ ou de se tromper dans la conversion d'unités, qui reste le piège numéro un.
Points à retenir
Cette question renforce la nécessité de :
- Toujours vérifier les unités des données d'entrée.
- Appliquer rigoureusement les formules géométriques de base.
Le saviez-vous ?
Les rétrécissements dans les conduites ne sont pas toujours un inconvénient. Dans un appareil appelé "tube de Venturi", on utilise un rétrécissement calibré pour mesurer le débit du fluide en mesurant la différence de pression qu'il engendre.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si le diamètre de sortie était de 50 mm, quelle serait la nouvelle aire A₂ (en m²) ?
Question 5 : En déduire la vitesse moyenne V₂ dans la section de sortie.
Principe
Le concept physique est la conséquence directe de la conservation de la masse : puisque le même volume d'eau doit passer chaque seconde à travers une section plus petite, il doit nécessairement se déplacer plus vite.
Mini-Cours
L'équation de continuité \( A_1 V_1 = A_2 V_2 \) montre une relation inverse entre l'aire et la vitesse. C'est un principe fondamental qui explique de nombreux phénomènes, de la forme des ailes d'avion à la conception des buses et des injecteurs.
Remarque Pédagogique
Cette dernière question est la synthèse de tout l'exercice. Elle combine tous les résultats précédents pour arriver à la conclusion la plus importante : la modification de la géométrie impose une modification de la vitesse.
Normes
Les normes d'ingénierie imposent souvent des limites de vitesse dans les tuyauteries (généralement entre 1 et 3 m/s pour l'eau) pour limiter le bruit, les vibrations et l'érosion par cavitation. Notre résultat de 8 m/s serait considéré comme très élevé et potentiellement problématique dans une installation réelle.
Formule(s)
L'outil mathématique est une réorganisation de l'équation de continuité pour isoler la vitesse inconnue \(V_2\) :
Hypothèses
Les hypothèses sont les mêmes que pour la question 3 : fluide incompressible, régime permanent, et pas de fuites.
Donnée(s)
Les chiffres d'entrée sont les résultats des questions précédentes.
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Débit volumique | \(Q_v\) | 0.0628 | m³/s |
Aire de sortie | \(A_2\) | 0.00785 | m² |
Astuces
Puisque \( A_1/A_2 = (D_1/D_2)^2 \), on peut calculer directement \( V_2 = V_1 \cdot (D_1/D_2)^2 = 2 \cdot (200/100)^2 = 2 \cdot 2^2 = 2 \cdot 4 = 8 \; \text{m/s} \). C'est beaucoup plus rapide et évite les erreurs d'arrondi sur les aires.
Schéma (Avant les calculs)
Le schéma illustre le problème : connaissant le débit et la section de sortie, on cherche la vitesse du fluide qui la traverse.
Calcul(s)
Calcul de la vitesse de sortie
Schéma (Après les calculs)
Ce schéma final synthétise tout l'exercice, montrant comment la réduction du diamètre de D₁ à D₂ provoque l'accélération du fluide de V₁ à V₂.
Réflexions
L'interprétation du résultat est claire : en divisant le diamètre par deux, l'aire a été divisée par quatre, et par conséquent, la vitesse a été multipliée par quatre. C'est une illustration parfaite de l'équation de continuité.
Points de vigilance
L'erreur serait de mal reporter les valeurs de \(Q_v\) ou \(A_2\), ou d'inverser la fraction dans la formule. Pensez logiquement : si la section rétrécit, la vitesse doit augmenter, donc \(V_2\) doit être plus grand que \(V_1\).
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez :
- La relation inverse entre aire et vitesse : si A diminue, V augmente.
- La formule \( V_2 = V_1 \cdot (A_1 / A_2) \).
Le saviez-vous ?
C'est ce même principe qui est utilisé dans les lances à incendie. En réduisant brutalement la section à l'extrémité de la lance, on augmente considérablement la vitesse de l'eau, ce qui lui permet d'être projetée sur une plus grande distance.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
En gardant \(V_1 = 2 \; \text{m/s}\) et \(D_1 = 200 \; \text{mm}\), si on voulait que la vitesse de sortie \(V_2\) soit de 10 m/s, quel devrait être le diamètre de sortie \(D_2\) (en mm) ?
Outil Interactif : Simulateur de Convergent
Utilisez les curseurs pour modifier le diamètre d'entrée et la vitesse initiale. Observez comment la vitesse de sortie change pour un diamètre de sortie fixe de 100 mm.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés (pour D₂ = 100 mm)
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Si le diamètre d'une conduite est divisé par deux, par combien l'aire de la section est-elle divisée ?
2. Dans une conduite où le débit est constant, si la vitesse du fluide augmente, cela signifie que la section de la conduite...
3. Quelle est l'unité du débit volumique dans le Système International ?
4. L'équation de continuité (\(A_1V_1 = A_2V_2\)) est une conséquence directe de la conservation de la masse pour un fluide...
5. Un jardinier place son pouce sur l'extrémité d'un tuyau d'arrosage pour que l'eau aille plus loin. Il...
- Conservation de la masse
- Un principe fondamental stipulant que la masse d'un système isolé reste constante. En hydraulique, cela signifie que la masse de fluide qui entre dans une section de conduite doit en ressortir.
- Fluide Incompressible
- Un fluide dont la masse volumique (\(\rho\)) est considérée comme constante. L'eau est généralement traitée comme telle.
- Débit Volumique (\(Q_v\))
- Le volume de fluide qui traverse une section par unité de temps. Unité SI : m³/s.
- Équation de Continuité
- La formulation mathématique de la conservation de la masse pour un fluide incompressible : le produit de l'aire de la section (A) par la vitesse (V) est constant le long d'une conduite (A·V = constante).
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