Comprendre la mécanique des fluides

La mécanique des fluides est une vaste étude du comportement des fluides (liquides, gaz, sang et plasmas) au repos et en mouvement. Il a aujourd'hui un large éventail d'applications, ce domaine comprend le génie mécanique et chimique, les systèmes biologiques et l'astrophysique. La mécanique des fluides étudie en particulier les forces produites par les fluides.

Aujourd'hui, vous apprendrez à connaître la définition, les applications, les branches, les propriétés, l'historique de la mécanique des fluides. Vous serez également exposé aux éléments suivants :

• Mécanique des fluides avec mécanique continue.
• Fluides non visqueux et visqueux.
• Fluides newtoniens versus fluides non newtoniens. L'équation du fluide newtonien sera également abordée.

Qu'est-ce que la mécanique des fluides ?

La mécanique des fluides peut être définie comme l'étude du comportement des liquides et des gaz, plus particulièrement des forces qu'ils produisent. Comme mentionné dans l'introduction, la mécanique des fluides est l'étude des fluides au repos (statique des fluides) et en mouvement (dynamique des fluides). Il peut également être défini comme une substance qui se déforme continuellement (coule) sous une contrainte de cisaillement appliquée. Il se déforme quelle que soit l'ampleur de la contrainte appliquée.

Les liquides, les gaz, les plasmas et, dans une certaine mesure, les solides plastiques peuvent être de bons exemples de fluides. Un fluide n'offrira aucune résistance interne au changement de forme et ils doivent prendre la forme de leurs contenants.

L'image ci-dessus montre le comportement des liquides, des gaz et du plasma dans un conteneur.

La plupart des disciplines scientifiques se sont intéressées à la mécanique des fluides. Par exemple, les physiciens étudient le flux de gaz à très haute température à travers des champs magnétiques. Cela se produit dans la recherche d'une méthode acceptable pour exploiter l'énergie des réactions de fusion nucléaire. Les ingénieurs ont manifesté leur intérêt pour la mécanique des fluides en raison des forces produites par les fluides utilisés à des fins pratiques. Certains exemples incluent la conception de profils aérodynamiques, la propulsion à réaction, les éoliennes et les freins hydrauliques. Ceci est expliqué plus en détail.

Vous devez comprendre que la mécanique des fluides est l'étude des fluides au repos et en mouvement. Un fluide peut être défini comme un matériau qui se déforme continuellement sous une charge constante. Cinématique, contrainte, conservation, régulation et constitutive sont les cinq termes importants qui sont utiles dans les problèmes de mécanique des fluides. Eh bien, ces problèmes peuvent varier en fonction du choix du système d'intérêt et du volume d'intérêt, qui régissent la simplification des quantités vectorielles.

Contexte historique de la mécanique des fluides

La mécanique des fluides a joué un rôle très vital dans la vie humaine et continuera à avoir cet effet. C'est pourquoi il a attiré de nombreux curieux. Dans l'histoire de la Grèce antique, des travaux théoriques systématiques ont été menés sur cette question. Au 16 ^ème siècle, le développement des équations gouvernantes de l'écoulement des fluides a commencé. Au 18 ^ème et 19 ^ème siècles, les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie étaient connues sous leur forme la plus générale. Au 20 ^ème siècle, les développements étaient sous forme théorique, expérimentale et récemment numérique. Les solutions des équations gouvernantes pour les cas particuliers ont été fournies dans le domaine théorique. Les méthodes expérimentales ont été utilisées pour mesurer les vitesses d'écoulement et les propriétés des fluides. Grâce à l'informatique, le traitement numérique des problèmes de mécanique des fluides a ouvert de nouvelles perspectives de recherche. La croyance commune au 21ème siècle est que les activités seront plus intensives dans le développement de nouveaux outils expérimentaux et numériques. Aussi, application de ceux-ci pour développer de nouvelles technologies.

Applications de la mécanique des fluides

Avec l'observation de la grande majorité aujourd'hui, la vie aurait été impossible sans fluides. C'est-à-dire que l'atmosphère et les océans qui recouvrent la planète sont des fluides. La mécanique des fluides sert des objectifs scientifiques et pratiques illimités. Elle fait appel à presque tous les domaines d'expertise bien qu'elle soit décrite par une théorie des champs non linéaire et aussi parce que les phénomènes fluides s'y observent volontiers. Ainsi, les applications de la mécanique des fluides incluent cette expertise, y compris les mathématiciens, les physiciens, les biologistes, les géologues, les océanographes, les scientifiques de l'atmosphère et presque tous les types d'ingénierie. De nos jours, les artistes ont été amenés à étudier, exploiter et exploiter la mécanique des fluides. Ceci est utilisé pour créer et tester des techniques formelles et informatiques pour mieux comprendre le monde naturel. Il tente également d'améliorer la condition humaine.

L'application de la mécanique des fluides implique le transport, le traitement et la fabrication des matériaux, la production et la conversion d'énergie, les infrastructures civiles et la production alimentaire.

Principales branches de la mécanique des fluides

Voici les deux principales branches de la mécanique des fluides :

Statistique des fluides :

Cette branche de la mécanique des fluides est également connue sous le nom d'hydrostatique. C'est une étude des fluides au repos et elle englobe l'étude des conditions dans lesquelles les fluides sont au repos en équilibre stable. La mécanique des fluides hydrostatique montre des explications physiques pour de nombreux phénomènes de la vie quotidienne. Cela inclut la raison pour laquelle la pression atmosphérique change avec l'altitude, pourquoi le bois et l'huile flottent sur l'eau et pourquoi la surface de l'eau est toujours de niveau quelle que soit la forme de son récipient.

L'hydrostatique est à la base de l'hydraulique, du transport, de l'utilisation des fluides et de l'ingénierie des équipements de stockage. Certains aspects pertinents de l'hydrostatique comprennent la géophysique et l'astrophysique (par exemple, comprendre la tectonique des plaques et les anomalies du champ gravitationnel terrestre), la météorologie, la médecine dans un aspect de la pression artérielle et de nombreux autres domaines d'expertise.

Dynamique des fluides :

La dynamique des fluides est une sous-discipline de la mécanique des fluides, traitant de l'écoulement des fluides. C'est la science des liquides et des gaz en mouvement. Il offre une structure systématique qui révèle ces disciplines pratiques, qui englobe des lois empiriques et semi-empiriques dérivées de la mesure de débit et utilisées pour résoudre des problèmes pratiques. Le problème de la dynamique des fluides a déjà été résolu. Celles-ci impliquent le calcul de diverses propriétés du fluide, telles que la pression, la densité, la vitesse et la température, en fonction de l'espace et du temps. Cette branche de la mécanique des fluides comprend elle-même plusieurs sous-disciplines, telles que l'aérodynamique, qui est l'étude de l'air et d'autres gaz en mouvement. L'hydrodynamique est une autre sous-discipline, qui est l'étude du liquide en mouvement.

Tout comme mentionné précédemment dans les applications de la dynamique des fluides, il a un large éventail d'applications, y compris le calcul de la force et du mouvement sur les aéronefs. Il détermine également le débit massique de pétrole à travers un pipeline, prédit l'évolution des conditions météorologiques, comprend les nébuleuses dans l'espace interstellaire et modélise les explosions. Enfin, certains principes de dynamique des fluides sont utilisés dans l'ingénierie du trafic et la dynamique des foules.

Principes de base des fluides

Les fluides sont composés de molécules discrètes; ces molécules sont si petites et sauf dans les gaz à très basse pression. Le nombre de molécules par millilitre est si énorme qu'elles doivent être considérées comme des entités individuelles. Dans un liquide, appelé cristaux liquides, les molécules sont entassées de manière à rendre les propriétés du milieu localement anisotropes. Cependant, la majorité des fluides, y compris l'air et l'eau, sont isotropes.

En mécanique des fluides, l'état des fluides anisotropes est décrit en définissant leur masse moyenne par unité de volume, ou densité (p), la température (T) et leur vitesse (V) en tout point de l'espace. De plus, le lien est entre ces propriétés macroscopiques et les positions et les vitesses des molécules individuelles, n'ayant aucune utilisation directe.

La différence entre les gaz et les liquides est plus facile à percevoir qu'à décrire. Mais cela reste à examiner. Les molécules sont suffisamment éloignées les unes des autres pour se déplacer presque indépendamment les unes des autres dans les gaz. Les gaz ont tendance à se dilater pour remplir tout volume à leur disposition. D'autre part, les molécules liquides sont plus ou moins en contact et elles sont cohérentes en raison des forces d'attraction à courte portée entre elles. Les molécules se déplacent trop rapidement pour s'installer dans les réseaux ordonnés caractéristiques des solides. Même ainsi, ils ne peuvent pas s'envoler.

Cependant, le liquide peut exister sous forme de gouttes ou de jets avec des surfaces libres. Ils peuvent même s'asseoir dans des béchers contraints uniquement par la gravité, d'une manière que les échantillons de gaz ne peuvent pas. De tels échantillons peuvent s'évaporer avec le temps car leurs molécules s'accumulent avec une vitesse suffisante pour s'échapper à travers la surface libre et ne sont pas remplacées. La durée de vie des gouttes et des jets de liquide est normalement suffisamment longue pour que l'évaporation soit ignorée.

Relation entre la mécanique des fluides et la mécanique du continuum

La mécanique des fluides est une sous-discipline de la mécanique des milieux continus. Ci-dessous la liste des sous-disciplines concernant ce domaine.

Mécanique des fluides – c'est l'étude de la physique des matériaux continus qui se déforment lorsqu'ils sont soumis à une force.

Mécanique du continu – l'étude de la physique des matériaux continus.

Mécanique solide – l'étude de la physique des matériaux continus avec une forme de repos définie.

Rhéologie – l'étude des matériaux à la fois solides et fluides.

Élasticité - décrit les matériaux qui reprennent leur forme de repos après la suppression des contraintes appliquées.

Plasticité – il décrit qu'il se déforme de façon permanente après une contrainte appliquée suffisante.

Fluides non newtoniens – ils ne subissent pas de taux de déformation proportionnels à la contrainte de cisaillement appliquée.

Fluides newtoniens – subir des vitesses de déformation proportionnelles à la contrainte de cisaillement appliquée. Cela sera expliqué plus en détail.

Mécaniquement, le fluide ne supporte pas les contraintes de cisaillement, c'est pourquoi au repos il a la forme de son récipient contenant. Un fluide au repos n'a pas de contrainte de cisaillement.

Regardez la vidéo pour en savoir plus sur la mécanique des fluides :

Fluides non visqueux et visqueux

Un fluide non visqueux n'a pas de viscosité, c'est une idéalisation. Celui-là facilite le traitement mathématique. Un écoulement pur non visqueux est réalisé en cas de superfluidité. Sinon, les fluides sont généralement visqueux. Les mathématiques d'un système mécanique fluide peuvent être traitées en supposant que le fluide à l'extérieur des couches limites est non visqueux. La solution doit correspondre à celle d'une couche limite laminaire mince.

Fluides newtoniens et non newtoniens

Le fluide newtonien porte le nom d'Isaac Newton. Il est défini comme le fluide dont la contrainte de cisaillement est linéairement proportionnelle au gradient de vitesse dans la direction perpendiculaire au plan de cisaillement. Cela signifie que, quelle que soit la force agissant sur un fluide, il continue de s'écouler. L'eau est un bon exemple de fluide newtonien, car elle continue de montrer des propriétés fluides, quelle que soit la quantité d'agitation ou de mélange.

Un bon exemple est la traînée d'un petit objet déplacé lentement à travers le fluide est proportionnelle à la force appliquée à l'objet. Un fluide important comme l'eau et la plupart des gaz se comportent à peu près comme un fluide newtonien dans des conditions normales.

D'autre part, un fluide non newtonien peut laisser un trou lorsqu'il est agité. Cela se remplira progressivement avec le temps, car cela peut se produire dans des matériaux tels que le pudding et l'oobleck. L'agitation d'un fluide non newtonien peut diminuer la vitesse du fluide, ce qui le fait apparaître plus mince. Il existe différents types de fluides non newtoniens. Ils peuvent être définis comme quelque chose qui ne respecte pas une propriété particulière. Par exemple, presque tous les fluides à longues chaînes moléculaires peuvent réagir de manière non newtonienne.

Conclusion

C'est tout pour cet article sur la mécanique des fluides, où nous donnons sa définition, son historique, ses applications, ses branches, ses principes et sa relation avec la mécanique des milieux continus.

J'espère que vous tirerez beaucoup de cet article, si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci d'avoir lu. À la prochaine !