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Physique

Exemples et applications de la mécanique des fluides

Exemples et applications de la mécanique des fluides

Dans la vie de tous les jours, on trouve de nombreuses applications de la mécanique des fluides (plasmas, liquides ou gazeux) sans s'en rendre compte. Dans cet article, nous décrivons quelques exemples pour montrer l'importance des fluides dans l'ingénierie mécanique et dans notre vie quotidienne.

La mécanique des fluides est un domaine de la physique qui étudie le comportement des fluides au repos ou en mouvement. 

Un fluide est une substance qui peut être continuellement déformée et qui a une résistance finie à la déformation. Selon leurs propriétés, on peut distinguer les types de fluides suivants :

  • Fluides compressibles et incompressibles

  • Fluides newtoniens et non newtoniens

  • Fluides idéaux et réels.

Les problèmes de ce branche de la mécanique sont résolus par un ensemble d'équations mathématiques telles que l'équation de continuité, les équations d'Euler ou le principe de la poussée d'Archimède qui décrivent le comportement des fluides. Ces équations sont dérivées des lois fondamentales de la physique, telles que la loi de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et la loi de conservation de la quantité de mouvement.

La mécanique des milieux continus est la ligne de courant de la mécanique physique qui étudie l'écoulement des fluides et la déformation des solides.
La branche de la mécanique des fluides qui s'intéresse aux écoulements de liquides dans un canal avec une surface libre est l'hydraulique à surface libre.

Exemple 1 : circulation sanguine

Exemples et applications de la mécanique des fluidesLe sang est un exemple de particules fluides qui se déplacent à l'intérieur de notre corps. Le système circulatoire est un exemple de mécanique des fluides dans laquelle les notions de pression et de densité sont essentielles à son bon fonctionnement.

Le cœur agit comme une pompe qui pousse le sang dans les veines, les artères et les capillaires.

Exemple 2 : un système d'irrigation

La régulation de la pression et du débit d'eau dans un système d'irrigation est un autre exemple d'application de la mécanique des fluides. La mécanique des fluides est utilisée pour calculer le débit et la pression nécessaires pour déplacer l'eau dans le système.

Dans la plupart des conceptions de gicleurs, le mouvement oscillant dépend de la pression de l'eau. Le débit et la pression sont également des éléments cruciaux pour définir la portée de l'eau.

Exemple 3 : Pourquoi les avions volent-ils ?

Dans un avion, les ailes créent une force appelée portance qui soulève l'avion et le maintient en l'air. La portance se produit lorsque le flux d'air se divise autour des ailes et la vitesse d'écoulement est plus rapide sur le dessus des ailes que sur le bas. Cela crée une variation de pression entre le haut et le bas des ailes, ce qui produit de la portance selon le principe de Bernoulli.

Exemple 4 : Moulins à vent

L'aérodynamique optimale d'une éolienne utilisée dans une installation éolienne est étudiée à l'aide de la mécanique des fluides. L'air est un fluide en mouvement exposé à la pression atmosphérique.

Selon les régimes d'écoulement, la façon dont l'impact est fait avec les pales de l'éolienne, fait varier les performances et l'obtention de l'énergie électrique générée.

Exemple 5 : Pourquoi une montgolfière vole-t-elle ?

Une montgolfière s'élève parce que l'air autour de la montgolfière a plus masse volumique que le gaz à l'intérieur de la montgolfière. La masse volumique est la masse par unité de volume de fluide, dans ce cas l'air extérieur est plus lourd que l'air à l'intérieur du ballon qui a tendance à monter.

L'air chaud à l'intérieur du ballon exerce une pression vers l'extérieur sur les parois du ballon, et cette pression est supérieure à la force gravitationnelle qui tire sur le ballon.

La différence de pression est ce qui permet au ballon de rester en l'air.

Exemple 6 : Le circuit hydraulique d'une centrale nucléaire

Exemples et applications de la mécanique des fluidesL'objectif d'une centrale nucléaire est de produire de l' électricité à partir de la chaleur obtenue par une réaction de fission nucléaire. La chaleur obtenue dans le réacteur nucléaire est utilisée pour chauffer un fluide et générer de la vapeur, qui est un autre type de fluide. La vapeur pénètre dans la turbine à haute pression et vitesse, et se dilate à travers les aubes de la turbine. Cela provoque la rotation des pales, ce qui produit de l'énergie mécanique.

L'étude des équations différentielles d'un fluide permet de concevoir des turbines plus performantes et des circuits adaptés pour résister à ces conditions de pression et de température.

Par le dimensionnement des turbines on utilise le le nombre de Reynolds ( Re ). C'est un nombre sans dimension utilisé en mécanique des fluides qui indique si l'écoulement suit un schéma laminaire ou turbulent.

Exemple 7 : Une centrale hydroélectrique

Une centrale hydraulique est un ouvrage de génie civil dans lequel de l'eau est stockée pour entraîner un ensemble de turbines et produire de l'électricité. 

Dans cet exemple de mécanique des fluides, la statique et la dynamique des fluides sont appliquées.

L'étude physique de la statique des fluides est nécessaire pour calculer le dimensionnement du barrage hydraulique pour résister à la pression de l'eau. En revanche, pour calculer le dimensionnement et les performances des turbines hydrauliques, il faut prendre en compte les équations qui régulent le mouvement des fluides comme l'équation de Bernoulli ou les équations de Navier-Stokes.

Exemple 8 : Voitures de course de Formule 1

Un autre exemple de mécanique des fluides concerne la conception de véhicules, tels que les voitures et les motos.

Cette branche de la mécanique du continuum vise à créer une conception qui minimise la traînée ou la résistance au mouvement à travers un fluide. Cela se fait en comprenant comment l'air circule autour des objets et comment contrôler ce flux. Par exemple, les voitures de course de Formule 1 utilisent des conceptions aérodynamiques complexes pour minimiser la traînée et maximiser la vitesse.

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Date de publication : 20 octobre 2022
Dernier examen : 20 octobre 2022