Maîtriser la Mécanique des Fluides : Principes, Applications et Impact

La mécanique des fluides est une vaste étude du comportement des fluides (liquides, gaz, sang et plasmas) au repos et en mouvement. Elle a une large gamme d'applications aujourd'hui, ce domaine inclut l'ingénierie mécanique et chimique, les systèmes biologiques et l'astrophysique. L'étude de la mécanique des fluides porte particulièrement sur les forces que produisent les fluides.

Aujourd'hui, vous découvrirez 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 la mécanique des milieux continus.
• Fluides non visqueux et visqueux.
• Fluides newtoniens versus non-newtoniens. L'équation du fluide newtonien sera également discutée.

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 les 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). Elle peut aussi être définie comme une substance qui se déforme continuellement (s'écoule) sous une contrainte de cisaillement appliquée. Elle se déforme indépendamment de l'amplitude de la contrainte appliquée.

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

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

La plupart des disciplines scientifiques se sont intéressées à la mécanique des fluides. Par exemple, les physiciens étudient l'écoulement de gaz à température extrêmement élevée 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 se sont intéressés à la mécanique des fluides à cause des forces produites par les fluides qui sont utilisées à des fins pratiques. Quelques exemples incluent la conception de profils d'aile, la propulsion par réaction, les éoliennes et les freins hydrauliques. Cela 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 constitutif sont les cinq termes importants utiles dans les problèmes de mécanique des fluides. Eh bien, ces problèmes peuvent varier selon le choix du système d'intérêt et du volume d'intérêt, qui régissent la simplification des grandeurs 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 elle a attiré de nombreuses personnes curieuses. Dans l'histoire grecque antique, des travaux théoriques systématiques ont été menés sur ce sujet. Au 16^e siècle, le développement des équations régissant l'écoulement des fluides a commencé. Aux 18^e et 19^e siècles, les lois de conservation pour la masse, la quantité de mouvement et l'énergie étaient connues sous leur forme la plus générale. Au 20^e siècle, les développements étaient sous forme théorique, expérimentale et récemment numérique. Les solutions des équations gouvernantes pour des cas particuliers ont été fournies dans le domaine théorique. Les méthodes expérimentales ont été employées pour mesurer les vitesses d'écoulement et les propriétés des fluides. En utilisant des ordinateurs, le traitement numérique des problèmes de mécanique des fluides a ouvert de nouvelles perspectives dans la recherche. La croyance commune au 21^e siècle est que les activités seront les plus intenses dans le développement de nouveaux outils expérimentaux et numériques. Ainsi que l'application de ceux-ci pour le développement de nouvelles technologies.

Applications de la mécanique des fluides

Avec la grande majorité des observations aujourd'hui, la vie aurait été impossible sans fluides. Cela veut dire que l'atmosphère et les océans couvrant la planète sont des fluides. La mécanique des fluides sert des buts scientifiques et pratiques illimités. Elle touche presque tous les domaines d'expertise même si elle est décrite par une théorie de champ non-linéaire et aussi parce que les phénomènes fluides sont facilement observables. Donc, les applications de la mécanique des fluides incluent cette expertise incluant mathématiciens, physiciens, biologistes, géologues, océanographes, scientifiques de l'atmosphère, et presque tous les types d'ingénierie. De nos jours, les artistes ont été attirés pour étudier, exploiter et utiliser la mécanique des fluides. Cela est utilisé pour créer et tester des techniques formelles et computationnelles pour mieux comprendre le monde naturel. Cela tente aussi d'améliorer la condition humaine.

L'application de la mécanique des fluides implique le transport, le traitement des matériaux et la fabrication, la génération 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 :

Statique des fluides :

Cette branche de la mécanique des fluides est aussi connue sous le nom d'hydrostatique. C'est l'étude des fluides au repos et elle englobe l'étude des conditions sous lesquelles les fluides sont au repos en équilibre stable. L'hydrostatique en mécanique des fluides donne 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 plane indépendamment de la forme de son contenant.

L'hydrostatique est 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 incluent la géophysique et l'astrophysique (par exemple, comprendre la tectonique des plaques et les anomalies dans le champ gravitationnel de la Terre), la météorologie, la médecine dans l'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. Elle offre une structure systématique qui révèle ces disciplines pratiques, qui embrassent des lois empiriques et semi-empiriques dérivées de la mesure d'écoulement et utilisées pour résoudre des problèmes pratiques. Le problème de la dynamique des fluides a déjà été résolu. Cela implique 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 a plusieurs sous-disciplines elle-même, comme 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 des liquides en mouvement.

Comme mentionné précédemment dans les applications de la dynamique des fluides, elle a une large gamme d'applications, incluant le calcul de la force et du mouvement sur les avions. Elle détermine aussi le débit massique de pétrole à travers un pipeline, la prédiction des modèles météorologiques en évolution, la compréhension des nébuleuses dans l'espace interstellaire, et la modélisation des explosions. Finalement, 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 qu'excepté dans les gaz à très basses pressions. Le nombre de molécules par millilitre est si énorme qu'elles doivent être vues comme des entités individuelles. Dans un liquide, connu sous le nom de cristaux liquides, les molécules sont empaquetées ensemble d'une manière qui rend les propriétés du milieu localement anisotropes. Cependant, la majorité des fluides incluant 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 (ρ), température (T), et leur vitesse (V) à chaque point dans l'espace. Aussi, la connexion est entre ces propriétés macroscopiques et les positions et vitesses des molécules individuelles, n'ayant pas d'utilité directe.

La différence entre les gaz et les liquides est très facile à percevoir qu'à décrire. Mais cela doit encore être examiné. Les molécules sont suffisamment éloignées pour se déplacer presque indépendamment les unes des autres dans les gaz. Les gaz tendent à s'étendre pour remplir tout volume disponible. D'autre part, les molécules liquides sont plus ou moins en contact et elles cohèrent en raison des forces attractives à courte portée entre elles. Les molécules se déplacent trop vite pour se fixer dans les réseaux ordonnés qui sont caractéristiques des solides. Même ainsi, elles ne peuvent pas s'envoler.

Bien que les liquides puissent exister sous forme de gouttes ou de jets avec des surfaces libres. Ils peuvent même rester dans des béchers contraints seulement par la gravité, d'une manière que les échantillons de gaz ne peuvent pas. De tels échantillons peuvent s'évaporer avec le temps alors que leurs molécules acquièrent assez de vitesse pour s'échapper à travers la surface libre et ne sont pas remplacées. La durée de vie des gouttes et jets liquides est normalement assez longue pour que l'évaporation puisse être ignorée.

Relation de la mécanique des fluides à la mécanique des milieux continus

La mécanique des fluides est une sous-discipline de la mécanique des milieux continus. Voici 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 des milieux continus – l'étude de la physique des matériaux continus.

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

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

Élasticité – décrit les matériaux qui retournent à leur forme de repos après que les contraintes appliquées sont retirées.

Plasticité – elle décrit la déformation permanente après une contrainte appliquée suffisante.

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

Fluides newtoniens – subissent des taux de déformation proportionnels à la contrainte de cisaillement appliquée. Cela sera expliqué plus en détail.

Mécaniquement, un fluide ne supporte pas la contrainte de cisaillement, c'est pourquoi au repos il a la forme de son vase 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. Celle-ci facilite le traitement mathématique. Un écoulement pur non visqueux est réalisé dans le cas de la superfluidité. Sinon, les fluides sont généralement visqueux. Les mathématiques d'un système mécanique des fluides peuvent être traitées en supposant que le fluide en dehors des couches limites est non visqueux. La solution doit être adaptée à celle d'une fine couche limite laminaire.

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 quel que soit le brassage ou le 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. Les fluides importants comme l'eau et la plupart des gaz se comportent comme de bons fluides newtoniens sous des conditions normales.

D'autre part, un fluide non-newtonien peut laisser un trou quand on le brasse. Celui-ci se remplit progressivement au fil du temps comme cela peut se produire dans des matériaux tels que le pouding et l'oobleck. Brasser un fluide non-newtonien peut diminuer la vitesse du fluide ce qui le fait paraître plus fluide. Il existe divers 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 avec de longues chaînes moléculaires peuvent réagir d'une manière non-newtonienne.

Conclusion

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

J'espère que vous avez beaucoup appris de cet article. Si c'est le cas, partagez-le avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture. À la prochaine !