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Université de Maroua Faculté des Sciences Département de Physique

TRAVAUX DIRIGES DE MECANIQUE DES FLUIDES : PH 355

TD1 : STATIQUE DES FLUIDES


Exercice1 :
On considère un tube en U contenant trois liquides:
- de l’eau ayant une masse volumique ρ1 = 1000 kg/m3,
3
- du mercure ayant une masse volumique ρ2 = 13600 kg/m ,
3
- de l’essence ayant une masse volumique ρ3 = 700 kg/m .
On donne :
Z0 – Z1 = 0,2 m
Z3 – Z2 = 0,1 m
Z1 + Z2 = 1,0 m
Calculer Z0, Z1, Z2 et Z3.

Exercice2 :
En utilisant les données reportées sur la figure ci-dessous, calculer la différence de pression
entre les deux réservoirs.
h1 = 2 cm, h2 = 8 cm, h3 = 5 cm, h4 = 1 cm,
ρ1=1,225 kg.m-3, ρ2=1000 kg.m-3,
g = 9,81 m.s-2.

Exercice 3 :
L'indicateur de pression au point B (figure ci-dessous) est pour mesurer la pression au point A
dans un écoulement de l'eau. Si la pression en B est de 87 kPa, déterminer la pression au point
A, en kPa. Données : densité de l’huile dh=0,87 et la densité du mercure dHg=13,6.

Exercice 4 :
Déterminer la dénivellation du mercure H dans le montage de la figure ci-dessous.
Exercice5 : Levier hydraulique

Dans la figure suivante, les surfaces des cylindres A


et B sont respectivement de SA=40 cm² et SB=4000
cm² et B a une masse de 4000 kg. Le récipient et les
conduits sont remplis de liquide de densité 0,75.
Quelle force F assurera l’équilibre, en négligeant le
poids de A. On donne h = 0.3 m.

Exercice6 :

La figure ci-dessus représente un barrage ayant les


dimensions suivantes :
longueur b=200 m, hauteur h=60 m
Le barrage est soumis aux actions de pression de
l’eau.
Le poids volumique de l’eau est :ϖ = 9,81.103 N
/m3 .
On demande de :
1) Calculer l’intensité de la résultante R des actions de pression de l’eau.
2) Calculer la position y0 du centre de poussée G0.
Exercice7 :

Un réservoir de forme parallélépipédique ayant les


dimensions suivantes :
- hauteur h = 3m,
- longueur L1= 8 m,
- largeur L2 = 6 m.
est complètement remplie d’huile de masse
volumique ρ = 900 kg /m3 .
1) Calculer le module de la résultante des forces de pression sur chaque surface du réservoir
(les quatre faces latérale et le fond).
2) Déterminer pour les surfaces latérales la position du point d’application (centre de
poussée).
Exercice7 :

a- Surface plane verticale b-Vanne rectangulaire

Déterminer la résultante des forces des forces hydrostatique pression agissant sur la surface
plane rectangulaire verticale et sur la vanne rectangulaire. Puis calculer son point
d’application (centre de poussée) dans chacun des deux cas. On exprimera les résultats en
fonction de l, h, a et S.

Exercice8 : Efforts sur un barrage


On considère un barrage de masse mb et
d’extension L (suivant l’axe y
perpendiculaire au plan vertical xz) sur lequel
est exercé un effort de poussée par l’eau qu’il
contient d’une part ainsi que par de l’eau
filtrant sous sa base et dont la répartition est
donnée sur la figure ci-contre.
Donner l’expression du point d’application
des efforts de poussée sur le barrage ainsi
que l’expression de l’effort résultant exercé
sur le barrage.

Exercice9 : Théorème d’Archimède


Un cube en acier de côté a=50 cm flotte sur du mercure.
On donne les masses volumiques :
- de l’acier ρ1= 7800 kg/m3
- du mercure ρ2= 13600 kg/m3
1) Appliquer le théorème d’Archimède,
2) Déterminer la hauteur h immergée.
TD2 : CINEMATIQUE DES FLUIDES
Exercice1 : Description Lagrangienne et Eulérienne
1- On considère l’écoulement défini en variables de Lagrange par :

Donner la vitesse de cet écoulement en variables de Lagrange.


2- On considère l’écoulement défini en variables d’Euler par :

2-1. Cet écoulement est-il stationnaire (permanent), incompressible ?


2-2. Déterminer les trajectoires.
2-3. Déterminer l’accélération particulaire du fluide.
3- Le champ des vitesses d’un écoulement est donné par :

Déterminer l’accélération particulaire (matérielle) du fluide.


Exercice2 : Ligne de courant
Le champ de vitesse d’un écoulement est donné par :

1. Vérifier si cet écoulement est conservatif ?


2. Déterminer l’équation des lignes de courant de cet écoulement.
3. Représenter les lignes de courant pour : x, y ˃ 0.

Exercice3 : Ligne de courant


On considère un écoulement permanent défini dans un repère (0, x, y, z) par le champ des
vitesses suivant, en variables d'Euler :

1°/ Montrer que le fluide est incompressible (conservatif).


2°/ Calculer le champ du vecteur d’accélération,
3°/ Déterminer l’équation des lignes de courant.

Exercice4 :
Dans un champ de vitesse d’un écoulement de fluide parfait incompressible. Le fluide
s’écoule dans un tube d’axe vertical (Oz) de section non-uniforme. Le régime d’écoulement
étant permanent. Le champ de vitesses en coordonnées cylindriques est de la forme :

1. Exprimer k’ en fonction de k.
2. Montrer que l’écoulement est irrotationnel.
3. Déterminer le vecteur accélération en chaque point M(r, θ, z).
4. Déterminer la fonction potentiel de vitesse Φ(r,θ, z) et calculer son Laplacien ΔΦ.
5. Déterminer l’équation des lignes de courant ensuite procéder à sa représentation.
On rappelle que : En coordonnées cylindriques, pour : A (Ar, Aθ, Az),
Exercice5 :
Vérifier si les fonctions suivantes, Φ(x,y) , représentent des écoulements plans en XY, à
potentiel de vitesses.

Exercice6 :
Un écoulement plan de fluide incompressible peut être décrit avec la fonction de courant
suivante :
Ψ=Axy Où, A : est une constante.
1) Déterminer les composantes de vitesse de l’écoulement ;
2) Représenter les lignes de courant de l’écoulement.
TD3 : DYNAMIQUE DES FLUIDES
Exercice1:
Dans une conduite composée de 04 tronçons de section S1, S2, S3 et S4, s’écoule de l’eau en
écoulement permanent. En considérant le fluide est parfait, calculer:
1. Les vitesses d’écoulement de l’eau dans chaque tronçon.
2. La dénivellation (a) indiquée par le manomètre a mercure.
Données: h1=1,25m, S1=60 cm2, S2=10 cm2; S3=80 cm2; S4=5 cm2, ρHg=13600 kg/m3

Exercice 2 :
Un siphon permet l'écoulement de l'eau d'un
réservoir de grande dimension à niveau
constant. Il est constitué par un tuyau de 10cm
de diamètre.
1. Calculer la vitesse et le débit a la sortie du
siphon ;
2. Donner l’expression de P2 au point 2 en
fonction de h et déduire la hauteur maximale de
siphonage atteinte lorsque P2˃0.

Exercice3:
On s'intéresse au dispositif de Torricelli: un cylindre de rayon R sert de
réserve d'eau et est remplie sur une hauteur h. La vitesse d'écoulement de
l'eau à la surface de ce cylindre est note V. En bas de ce cylindre, un tube
de longueur L et de rayon r << R conduit jusqu'à une ouverture libre
duquel l'eau s'éjecte avec une vitesse v. On supposera V>> v.
1. On s'intéresse au régime permanent de l'écoulement. Déterminer la
vitesse d'éjection v des particules de fluides a l'extrémité du petit tube.
2. Trouver le lien entre V, v, R et r.
3. Etablir le lien entre V et dh/dt et déduire le lien entre v et dh/dt.
4. En supposant que la vitesse établie a la question 1 reste vraie, en déduire l'équation
différentielle dont h(t) est solution.
5. Résoudre cette équation et en déduire le temps de vidange T0 du réservoir rempli
initialement d'une hauteur d'eau hO.
On donne l'équation de Bernoulli pour un fluide parfait en écoulement permanent
Exercice 4 :
De l'eau circule dans un coude et sort sous
forme de jet vers le haut à travers une buse
(figure). Un manomètre à mercure est
placé en un point de la tuyauterie
horizontale, en amont du coude. On
négligera le frottement dans le fluide.
Calculer l’élévation h du mercure.
On donne D1= 9cm, D2 =3cm, Ve=0,5 m/s

Exercice5:
Une turbine est un dispositif mécanique qui reçoit de la
puissance mécanique (détente de vapeur surchauffée,
chute d’eau…) et la transforme en une énergie mécanique
sous la forme d’un mouvement de rotation. Ainsi, en
couplant une génératrice à une turbine, on convertit de
l’énergie mécanique en énergie électrique.
De l’eau circule dans une turbine avec un débit volume de
Qv = 0,214 m3 s–1. Les pressions en A et B sont
respectivement de 147,5 kPa et de –34,5 kPa.
Calculer la puissance en kW fournie par l’eau à la turbine.
On supposera l’écoulement du liquide incompressible et stationnaire. Ce liquide se comporte
comme un fluide parfait. On donne : g = 9,81 m.s–2.

Exercice6:
Dans la figure ci-dessous, R est un réservoir a grandes dimensions rempli d'eau, et dont le
niveau Z0=4m. AC est une conduite de diamètre D=5 cm. En C se trouve une courte tuyère de
diamètre de sortie d=2,0 cm. C et D sont sur la même horizontale. L’eau sort de D a l'air libre.
Un tube est placé en B en liaison avec la conduite. Le liquide est parfait.
1. En appliquant la relation de Bernoulli entre M et D, calculer la vitesse VD de l’eau à la
sortie de la tuyère.
2. Calculer le débit Q
3. En déduire la vitesse V dans la conduite AC.
4. En appliquant la relation de Bernoulli entre B et M, calculer la pression en B.
5. Déterminer la différence des niveaux h entre les surfaces libres du réservoir et du tube. On
appliquera la loi de l'hydrostatique entre B et E.
Exercice7 :
Du fuel lourd de viscosité dynamique μ = 0,11 Pa.s et de densité d=0,932 circule dans un
tuyau de longueur L=1650 m et de diamètre D=25 cm à un débit volumique qv=19,7 l/s.
On donne la masse volumique de l’eau ρeau = 1000 kg /m3.
1) Déterminer la viscosité cinématique ν du fuel.
2) Calculer la vitesse d’écoulement V.
3) Calculer le nombre de Reynolds Re.
4) En déduire la nature de l’écoulement.
5) Déterminer le coefficient λ de pertes de charge linéaire.
6) Calculer la perte de charge linéaire ΔEL dans le tuyau.

Exercice8 :
Une huile de densité 0,850 et de viscosité dynamique 0,10104 Pa.s circule dans un tuyau de
fonte lisse de longueur L = 3000 m, de diamètre D = 30 cm, avec un débit Q = 44 l/s. Quelle
est la perte de charge dans ce tuyau.

Exercice 9 :
Une conduite de vidange d'un grand
réservoir à niveau constant débouche a l'air
libre. La section de sortie de la conduite est
situé h=7m au-dessous du niveau du plan
d'eau du réservoir. La conduite a une
longueur L=150m et son diamètre est
D=0,2m. La rugosité de la conduite est ε
=0,1mm. On néglige la perte de charge
singulière a l'entrée de la conduite.
Au milieu de la conduite se trouve une vanne V.
1. La vanne étant grande ouverte (perte de charge de la vanne nulle), Quel est le débit de
vidange Q assuré par la conduite.
2. La vanne est partiellement fermée et le débit dans la conduite est alors Q=0,05 m3.s-1.
En déduire le coefficient de perte de charge singulière K de la vanne.
On donne : ρ=103kg.m-3 et g=9,81m.s-2. Utiliser la formule de Nikuradse:

Exercice 10 :
Une conduite cylindrique amène l’eau d’un
barrage (dont le niveau ZA est maintenu constant)
dans une turbine.
On branche à la sortie de la turbine une
canalisation évacuant l’eau vers un lac.
Le niveau ZB de la surface libre du lac est
supposé constant.
Le débit massique traversant la turbine est Qm=
175 kg/s.
On donne : l’accélération de la pesanteur g= 9,8
m/s2 et H= (ZA-ZB)=35 m.
1) En appliquant le théorème de Bernoulli, déterminer la puissance utile Pu développée dans
la turbine. Préciser toutes les hypothèses simplificatrices.
2) Calculer la puissance récupérée sur l’arbre de la turbine si son rendement global est
η=70%.
Exercice 11 :
Une pompe à essence de rendement η=67,4% et de débit volumique qv=0,629 L/s assure, le
remplissage d’un réservoir d’automobile.
La pompe aspire l’essence de masse volumique ρ=750kg/m3 à partir d’une grande citerne dont
la surface libre située à une altitude Z1 et une pression P1=Patm=1 bar.
On suppose que le niveau d’essence dans la citerne varie lentement (V1≈0).
La pompe refoule l’essence, à une altitude Z2, sous forme d’un jet cylindrique, en contact
avec l’atmosphère à une pression P2=Patm=1 bar, se déversant dans le réservoir de
l’automobile à une vitesse V2. La différence des cotes entre la section de sortie de la conduite
et la surface libre de la citerne est H=Z2-Z1=2m.
La conduite a une longueur L=3,32 m et un diamètre d=2 cm.
La viscosité dynamique de l’essence est μ =0,0006 Pa.s.
L’accélération de la pesanteur est g=9,8 m/s2.
1) Déterminer la vitesse d’écoulement V2 de l’essence dans la conduite.
2) Calculer le nombre de Reynolds Re.
3) Déterminer la nature de l’écoulement.
4) En utilisant la formule de Blasius, calculer le coefficient de perte de charge linéaire λ.
5) En déduire la perte de charge linéaire E12.
6) Appliquer le théorème de Bernoulli généralisé et calculer la puissance Pa sur l’arbre de la
pompe.

Exercice 12:
De l’huile ayant une viscosité dynamique μ = 0,7 Pa.s et une densité d=0,896 est pompée
d’un point A vers un point L.

Elle circule dans une canalisation de diamètre d=100 mm formée des six tronçons rectilignes
suivants:
- AB de longueur 6 m,
- CD de longueur 12 m,
- EF de longueur 5 m,
- GH de longueur 4 m,
- IJ de longueur 7 m,
- Kl de longueur 8 m.
La canalisation est équipée :
- de deux coudes à 450 : BC, DE : ayant chacun un coefficient de perte de charge K45=0,2,
- de deux coudes à 900 : FG et JK : ayant chacun un coefficient de perte de charge K90=0,3,
- d’un coude à 1800 HI: ayant un coefficient de perte de charge K180=0,4,
La pression d’entrée est PA=3 bars.
La conduite est supposée horizontale et transporte un débit volumique qv=2.5 l/s.
1) Calculer la vitesse d’écoulement V en m/s.
2) Calculer le nombre de Reynolds.
3) Il s’agit d’un écoulement laminaire ou turbulent ?
4) Déterminer le coefficient de perte de charges linéaire λ.
5) Calculer les pertes de charges linéaires ΔEl .
6) Calculer les pertes de charges singulières ΔEs .
7) Déterminer la pression de sortie PL.

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