La dynamique des fluides est la branche de la science de la mécanique des fluides, régie par des lois plus élargies que celui de son voisin, l'hydrostatique ou la statique des fluides. La dynamique des fluides, appelée aussi l'hydrodynamique est une science physique qui vise à étudier les lois du comportement des fluides en mouvement ou au repos. Le terme fluide s'applique à tout corps liquide ou gazeux, dont le gaz considéré comme incompressible c'est-à-dire dont la masse volumique reste constante.
La dynamique des fluides peut intéresser le domaine de l'aéronautique (la propulsion à réaction), la
météorologie, la chimie, l'océanographie ou la mécanique. Les principes et les théories de la dynamique des fluides sont régis par la loi de la conservation de l'énergie et la loi de la conservation de la quantité de mouvement. Le premier qui a mis en évidence la dynamique des fluides fut le savant grec (287 av. J.C. - 212 av.J.C.), dont la théorie est basée sur la force de pression exercée vers le haut par un fluide, ou la poussée d'Archimède, en utilisant la pompe à vis. Puis, des scientifiques ont développé la théorie d'Archimède, à l'exemple de l'ingénieur romain Vitrure (au Ier siècle av. J-C), mais jusque-là, la dynamique des fluides reste une conception théorique parce qu'il n'y avait pas des applications pratiques. Ce n'est qu'au XVIIe siècle, qu'un physicien et mathématicien italien, appelé Evagelista Torricelli (1608-1647) a réalisé une expérience barométrique, basée sur la pression atmosphérique du poids de l'air sur le mercure. La loi de Torricelli met en évidence la relation entre la vitesse d'écoulement du mercure du baromètre et la quantité du liquide située au- dessus de l'orifice.
Après cette invention de Torricelli, la loi de la dynamique, inventée par le mathématicien et physicien
Isaac Newton (1642- 1727) fut analysée par un autre mathématicien suisse Leonhard Euler 1707-1783) qui réalise cette loi aux fluides sans frottement. Il a constaté que la dynamique des fluides ne présente qu'une loi approximative, et les frottements et la viscosité sont négligés, signifiant en tout que le fluide est incompressible (compression ignorée en dessous de 0,3 Mach). Pour cette expérience d'Euler, on dit alors que le fluide dit parfait, s'écoule sans frottement.
Dans l'étude de la dynamique des fluides, on peut avancer que l'écoulement est également incompressible, c'est-à-dire que la masse volumique des fluides est constante, respectant la loi de Bernoulli. Le principe de Bernoulli en mécanique des fluides suppose que « l'énergie mécanique totale de l'écoulement des fluides parfaits est constante le long d'une ligne de courant de cet écoulement ». Pourtant, ce principe de Bernoulli présente des failles, car une certaine énergie mécanique totale du fluide subit un phénomène de frottement qui, par conséquent, va diminuer la vitesse d'écoulement et la pression du fluide le long du tuyau. De ce fait, cette expérience est valable et applicable seulement à des vitesses faibles et à des vitesses supérieures. Dans ce cas, la baisse de pression correspond approximativement au carré de la vitesse d'écoulement du fluide.
Il aura fallu attendre l'invention de l'ingénieur britannique Osborne Reynolds en 1883 qui prouva finalement la vitesse du fluide. Par ses expériences, il délimite l'écoulement visqueux pour le flux laminaire et le flux turbulent, en déterminant « le nombre de Reynolds ». Le « nombre de Reynolds » correspond au produit de la vitesse moyenne d'écoulement (V), du diamètre du tuyau (D) et de la masse volumique du fluide (k) divisé par la viscosité du fluide (µ), c'est-à-dire VDk/µ. Si le nombre Reynolds est faible (inférieur à 2.
500), on dit que l'écoulement du fluide est laminaire, ce qui signifie que le courant est poursuivi par les particules du fluide. Par contre, si le nombre de Reynolds est élevé, l'écoulement des fluides se transforme en turbulent, qui se présente sous forme tourbillonnaire. Mathématiquement, on distingue deux descriptions de fluide, dont la description lagrangienne et la description euclidienne. Pendant très longtemps, le progrès de la dynamique des fluides s'est tourné principalement autour de l'écoulement turbulent (eau, air, ...). De nouvelles recherches mécaniques d'aujourd'hui établissent le principe de l'équation de Navier-Stokes pour la réalisation de la turbulence des fluides dans la zone de la surface, ce qui permet de négliger la viscosité et le développement de l'écoulement sans frottement des fluides. La recherche la plus récente de la dynamique des fluides se base sur la théorie des couches limites, utilisant le principe mécanique de newton, et les équations simplifiées de Navier-Stokes, permettant de repérer des solutions analytiques.
ouvrir
Il y a 41 minutes :
Flux RSS 2.0 :
les derniers commentaires de cet article
Sciences Physiques
