Comprendre la dynamique des fluides

La dynamique des fluides est l'étude du mouvement des fluides, y compris leurs interactions lorsque deux fluides entrent en contact l'un avec l'autre. Dans ce contexte, le terme "fluide" fait référence à un liquide ou à des gaz. Il s'agit d'une approche statistique macroscopique pour analyser ces interactions à grande échelle, en considérant les fluides comme un continuum de matière et en ignorant généralement le fait que le liquide ou le gaz est composé d'atomes individuels..

La dynamique des fluides est l'une des deux principales branches de mécanique des fluides, avec l'autre branche étant statique des fluides, l'étude des fluides au repos. (Peut-être pas surprenant, la statique des fluides peut être considérée comme un peu moins excitante la plupart du temps que la dynamique des fluides.)

Concepts clés de la dynamique des fluides

Chaque discipline implique des concepts qui sont cruciaux pour comprendre comment elle fonctionne. Voici quelques-unes des principales que vous rencontrerez en essayant de comprendre la dynamique des fluides.

Principes de base des fluides

Les concepts de fluides qui s'appliquent à la statique des fluides entrent également en jeu lors de l'étude des fluides en mouvement. À peu près le premier concept en mécanique des fluides est celui de la flottabilité, découvert dans la Grèce antique par Archimède.

À mesure que les fluides coulent, la densité et la pression des fluides sont également cruciales pour comprendre comment ils interagiront. La viscosité détermine la résistance du liquide au changement, elle est donc également essentielle pour étudier le mouvement du liquide. Voici quelques-unes des variables qui apparaissent dans ces analyses:

• Viscosité en vrac: μ
• Densité: ρ
• Viscosité cinématique: ν = μ / ρ

Couler

Puisque la dynamique des fluides implique l'étude du mouvement du fluide, l'un des premiers concepts à comprendre est la manière dont les physiciens quantifient ce mouvement. Le terme que les physiciens utilisent pour décrire les propriétés physiques du mouvement du liquide est couler. L'écoulement décrit une large gamme de mouvements de fluides, tels que le soufflage dans l'air, l'écoulement dans un tuyau ou le long d'une surface. L'écoulement d'un fluide est classé de différentes manières, en fonction des différentes propriétés de l'écoulement.

Débit stable ou instable

Si le mouvement du fluide ne change pas avec le temps, il est considéré flux constant. Ceci est déterminé par une situation où toutes les propriétés de l'écoulement restent constantes par rapport au temps ou alternativement peuvent être discutées en disant que les dérivées temporelles du champ d'écoulement s'évanouissent. (Consultez le calcul pour en savoir plus sur la compréhension des dérivés.)

UNE débit en régime permanent est encore moins tributaire du temps car toutes les propriétés du fluide (et pas seulement les propriétés d'écoulement) restent constantes à chaque point du fluide. Donc, si vous aviez un écoulement régulier, mais que les propriétés du fluide lui-même ont changé à un moment donné (peut-être en raison d'une barrière provoquant des ondulations dépendant du temps dans certaines parties du fluide), alors vous auriez un écoulement constant qui est ne pas un flux en régime permanent.

Tous les flux en régime permanent sont cependant des exemples de flux stables. Un courant circulant à un débit constant à travers un tuyau droit serait un exemple de débit en régime permanent (et également d'un débit constant). 

Si le flux lui-même a des propriétés qui changent au fil du temps, alors il est appelé un écoulement instable ou un écoulement transitoire. La pluie qui coule dans une gouttière pendant une tempête est un exemple de flux instable.

En règle générale, les flux stables rendent les problèmes plus faciles à gérer que les flux instables, ce à quoi on pourrait s'attendre étant donné que les modifications temporelles du flux n'ont pas à être prises en compte et que les choses changent avec le temps vont généralement rendre les choses plus compliquées.

Écoulement laminaire vs écoulement turbulent

On dit qu'un écoulement régulier de liquide a écoulement laminaire. On dit que le flux qui contient un mouvement non linéaire apparemment chaotique écoulement turbulent. Par définition, un écoulement turbulent est un type d'écoulement instationnaire. 

Les deux types de flux peuvent contenir des tourbillons, des tourbillons et divers types de recirculation, bien que plus ces comportements existent, plus le flux est susceptible d'être classé comme turbulent.