Quels sont Les Différents Types d’Écoulement de Fluide – Explication Complète

Introduction au fluide

Le fluide est une matière qui a tendance à se déformer en continu sous contrainte de cisaillement. Il se compose à la fois de liquide et de gaz. Toutes les matières sur terre peuvent être classées en fonction de leur comportement en deux catégories, c’est-à-dire solides et fluides. La substance qui a tendance à s’écouler dans certaines conditions données est appelée fluide. Il devient essentiel de comprendre les différents types de fluide et la différence entre fluide et solide pour une meilleure compréhension et visualisation des types d’écoulement de fluide. Dans cet article, nous discuterons brièvement des types de fluide et de la différence entre solide et fluide, puis nous passerons aux types d’écoulement de fluide.

Types de fluides

Les fluides sont classés en fonction de leur comportement sous contrainte de cisaillement. Le Comportement est analysé à l’aide de Quantités appelées Viscosité et densité du Fluide. La viscosité est comme la force de frottement présente dans les particules solides, qui résistent au mouvement du solide. Il résiste à l’écoulement du fluide et induit un mouvement relatif entre les couches de fluide suivantes.

Pour classer et avoir une meilleure compréhension de la classification, considérez l’équation suivante:

Remarque: L’équation ci-dessus représente le fluide s’écoulant dans Une direction (direction X), et l’écoulement dans toutes les autres directions est Nul.

Nous pouvons classer les fluides en 6 types différents, qui sont discutés comme suit:

1. Fluide idéal:

Dans ce type de fluide, la viscosité est considérée comme nulle et la densité est constante Partout. Cela signifie qu’il n’y a pas de mouvement relatif entre les couches de Fluide dans l’écoulement du fluide et que toutes les couches se déplacent avec la même vitesse. Le fluide idéal est une hypothèse, et ils ne sont pas présents dans la réalité. Ces hypothèses sont faites pour analyser le comportement de certains fluides dans des conditions données.

En bref, on peut dire que,

2. Fluide réel:

Dans ce type de fluide, la viscosité n’est pas nulle et la densité varie partout dans le Fluide. Cela signifie qu’il y a un mouvement relatif entre les couches de fluide dans l’écoulement du fluide. Le fluide réel est le comportement possédé par le Fluide dans la réalité, mais il est souvent ignoré pour simplifier l’analyse. Dans un Fluide réel, nous n’avons aucune formule fixe pour la variation de la Densité et une valeur fixe pour la viscosité du fluide. Tous les Fluides sont de véritables Fluides de Nature.

En bref, on peut dire que,

3. Fluide newtonien:

Dans un fluide réel, nous n’avons pas la formule exacte pour calculer la densité et nous ne connaissons pas la viscosité du fluide. Le fluide newtonien est ce fluide avec une valeur définie de viscosité, et la valeur de l’exposant (n) est 1. L’équation pour tout fluide newtonien peut s’écrire comme suit:

Le fluide newtonien peut avoir une Densité Constante et variable, mais la Variation de Densité

par rapport au temps et à l’espace nous sera connue.

En bref, on peut dire que,

4. Fluide non newtonien:

Dans ce type de fluide, la viscosité n’est pas nulle et est définie avec précision. La densité peut varier ou rester constante par rapport au Temps et à l’espace. La principale différence se produit avec la valeur de l’exposant ‘n’, qui n’est pas égale à 1 et dépend du type de fluide non newtonien. L’équation pour tout fluide non newtonien peut s’écrire comme suit:

5. Fluide Compressible:

Le fluide est dit Fluide compressible si la densité varie avec le temps et l’espace. Nous ne pouvons pas parler de la viscosité dans ce cas car elle peut être nulle ou non nulle.

En bref, on peut dire que,

6. Fluide incompressible:

Le fluide est dit incompressible si la densité du fluide ne varie pas avec le temps et l’espace. Nous ne pouvons pas parler de la viscosité dans ce cas car elle peut être nulle ou non nulle.

En bref, on peut dire que,

La classification ci-dessous répertorie les propriétés des différents fluides en fonction de leur viscosité et de leur densité:

S.no .	Type de fluide	Viscosité	Densité
1	Fluide idéal	Zéro	Constante
2	Fluide réel	Non nul	Variable
3	Le fluide newtonien	Non nul et de formule définie	Peut être constant ou variable
4	Fluide non newtonien	Non nul et la formule dépend du type de fluide non newtonien	Peut être constant ou variable
5	Fluide compressible	Zéro/ Non Nul	Variable
6	Fluide incompressible	Zéro/ Non nul	Constante

Solide vs Fluide: Les différences Entre Eux

Solide et fluide diffèrent dans leur comportement et ne suivent pas les règles de la physique de la même manière. En raison de leur différence de propriétés, nous avons la Mécanique des Solides pour les Solides et la Mécanique des Fluides pour les Fluides. Nous pouvons noter de nombreuses différences entre eux car nous observons de près leur Comportement dans diverses conditions. Pour regrouper leur comportement de manière plus simple, nous utilisons la propriété appelée contrainte de cisaillement. Il définit la propriété d’écoulement du fluide et comment son comportement est différent des solides. Les solides ont tendance à se plier et à se déformer sous l’action de la contrainte de cisaillement. Par conséquent, leur contrainte de cisaillement varie linéairement avec la flexion ou la déformation. Le fluide a tendance à se déformer de manière continue sous l’action de la contrainte de cisaillement, et la variation de la contrainte de cisaillement n’est pas linéaire avec la déformation. C’est la principale différence entre solide et fluide.

Fig: Comportement de contrainte de cisaillement

Force motrice pour l’écoulement du fluide

Les caractéristiques d’écoulement du Fluide conduisent à divers Phénomènes tels que Cyclone, Changement de Temps, Refroidissement du Moteur à Combustion interne, et bien d’autres choses. La question se pose, quelle est la raison de l’écoulement du fluide? Et pouvons-nous prédire le comportement de l’écoulement du fluide à chaque condition? Le fluide s’écoule d’un Point à un autre en raison de la différence de pression entre les deux Points. L’Écoulement naturel du Fluide se produit de Haute pression à Basse Pression pour égaliser la différence de pression en ces deux points. Le débit de la région basse pression à la région haute pression peut être obtenu avec une force motrice externe, telle qu’une pompe, Etc. Les schémas d’écoulement des fluides peuvent être classés mais ne peuvent pas être prédits avec précision à un instant donné. Toute la Prédiction du comportement d’écoulement du Fluide est faite à l’aide de Logiciels utilisant des Techniques Numériques pour Approximer le comportement d’écoulement à un instant donné.

Source de l’image

Pour commencer Notre Étude sur l’écoulement du fluide, découvrons d’abord différents Paramètres de l’écoulement du fluide. Ces paramètres sont des chronologies, des Pathlines, des Streaklines et des Streamlines.

Chronologie:

Si nous marquons l’écoulement des particules de fluide adjacentes à un instant donné, cela forme une chronologie. Par exemple, pour démontrer le comportement des particules de fluide sous l’action d’une contrainte de cisaillement constante, la chronologie a été introduite pour donner la déformation du fluide à chaque Instant de temps. Par conséquent, Dans la chronologie, Chaque Particule de Fluide est tracée à un Instant donné.

Fig.4: Chronologie

Ligne de chemin:

Si nous traçons le chemin d’une particule fluide pendant un certain temps, elle forme une ligne de chemin. Par exemple, prenez du colorant et de la fumée et prenez une longue photographie d’exposition de son mouvement ultérieur. Le chemin tracé par la Particule est la ligne de chemin. Ici, nous considérons une particule source de fluide et Observons son Trajet pendant un Temps donné. Le Chemin tracé par les Particules pendant ce Temps est la Ligne de Chemin de la Particule.

Fig.: Pathline

Streakline:

Si nous marquons le Trajet des particules de fluide à un endroit donné pendant un certain temps, il forme une Ligne de traînée. Pendant les essais aérodynamiques en soufflerie de l’automobile, de la fumée est dégagée vers la voiture pour l’évaluation de la force aérodynamique et de la traînée. Le chemin tracé par la fumée au-dessus de la voiture est strié. Ici, nous considérons l’écoulement des couches suivantes, observons leur Position à un Instant donné et traçons la Position pour former une Ligne de Stries.

Fig: Ligne de traînée

Streamline:

C’est le chemin tracé pour une particule de fluide de sorte que la tangente à celle-ci donne la direction de la vitesse des particules de fluide au point. Puisqu’ils sont la tangente à l’écoulement, il ne peut y avoir d’écoulement le long du streamline. Ils sont utilisés en Simulation informatique pour la Visualisation des Flux, où des Lignes de flux sont dessinées pour représenter le champ de vitesse tracé par les Particules de Fluide.

Fig.: Streamline

Types de flux de fluide

Le flux de fluide peut être classé dans les types suivants:

1. Écoulement uniforme et non uniforme
2. Écoulement Régulier et Instable
3. Écoulement Rotationnel et Irrotationnel
4. Écoulement Compressible et Incompressible
5. Écoulement Visqueux et non Visqueux
6. Écoulement Externe et Interne
7. Flux laminaire et turbulent
8. Flux 1D, 2D et 3D

Étudions-les un par un:

1. Débit uniforme et non uniforme

L’écoulement du fluide est dit uniforme si la vitesse du fluide ne change pas avec l’espace. Par conséquent, dans ce type d’écoulement de fluide, la vitesse ne dépend que du Temps et non des coordonnées X, Y, Z de la particule de fluide.

L’écoulement du fluide est dit non uniforme si la vitesse du fluide change avec l’espace. Par conséquent, dans ce type d’écoulement, la Vitesse est la Fonction du Temps et des coordonnées X, Y, Z des particules fluides. Par exemple, Comme le montre la figure, la vitesse d’écoulement est constante lorsque la zone de section ne change pas, mais lorsque la zone de section change, la vitesse varie à mesure que le fluide pénètre dans la section. Le flux devient de nature non Unifrom.

L’écoulement de fluide à travers un tuyau de section uniforme est appelé écoulement uniforme et si l’écoulement de fluide traverse un tuyau sans section uniforme (ou conique) est appelé écoulement non uniforme

2. Débit stable et instable

Le débit de fluide est dit stable si les propriétés du fluide telles que la vitesse et la pression ne varient pas avec le temps. Par conséquent, dans cet écoulement, les propriétés du fluide ne dépendent que des coordonnées X, Y, Z d’une particule de fluide. Pour ce type d’écoulement, les lignes de traînée, les lignes de rationalisation et les lignes de chemin sont identiques.

L’écoulement du fluide est instable si les propriétés du fluide telles que la vitesse et la pression varient avec le temps. Par conséquent, dans cet écoulement, les propriétés du fluide dépendent du temps et des coordonnées X, Y, Z d’une particule fluide. Pour ce type de flux, les lignes de traînées, les lignes de rationalisation et les lignes de chemin ne sont pas identiques.

Dans la figure donnée, la première expression représente un écoulement régulier, tandis que la deuxième expression correspond à un écoulement instable. Une décharge constante à travers le tuyau sera un débit constant, tandis que la décharge variable à travers le tuyau sera un débit instable.

3. Flux Rotationnel et Irrotationnel

Si les particules de fluide tournent autour de leur axe tout en se déplaçant dans le streamline, on parle d’écoulement de rotation.
Si les particules de fluide se déplacent dans un aérodynamisme et ne tournent pas autour de leur axe, on parle d’écoulement irrotationnel.
On peut identifier ce type d’écoulement en calculant la vorticité de l’écoulement, qui dépend de la vitesse de l’écoulement. Si la vorticité est nulle, l’écoulement du fluide est irrotationnel; sinon, c’est un écoulement de rotation.

4. Débit Compressible et Incompressible

En écoulement compressible, la densité du fluide change avec le temps et l’espace. Alors que, En écoulement incompressible, la densité de fluide reste constante. Ce flux trouve son application dans le Liquide de Frein. Dans le système de freinage, le liquide de frein transfère la pression créée par le pied aux roues pour les casser. Si le fluide est incompressible, il transférera la Pression exacte appliquée par le pied aux roues pour un freinage efficace. Si le fluide est compressible, la pression transférée à la Roue sera inférieure à celle appliquée. Il peut même être nul. Par conséquent, le liquide de frein doit être de nature incompressible.

Nous pouvons rapidement identifier ces types d’écoulement de fluide à l’aide du nombre de Mach. Il est défini comme:

Ma = V / Vs

• Vs = Vitesse du son dans le fluide
• V = Vitesse du fluide

0<= Ma<0.33	Flux incompressible
Ma>0.33	Débit compressible

5. Écoulement Visqueux et Non Visqueux:

Dans un écoulement visqueux, les particules de fluide subissent une viscosité entre les couches suivantes, et par conséquent, un mouvement relatif se produit entre la couche de particules de fluide. Dans un Écoulement non visqueux, les Particules de Fluide ne présentent aucune viscosité entre les couches suivantes et, par conséquent, il n’y a pas de Mouvement relatif entre les Particules de Fluide.

6. Flux Externe et Interne:

Débit de fluide interne

La présence de la paroi détermine ce type de schéma d’écoulement. L’écoulement complètement délimité par un corps solide est appelé écoulement interne ou écoulement de conduit.

Si un corps solide ne lie pas l’Écoulement, on parle d’écoulement externe. Par exemple, le flux sur une automobile est appelé Flux externe, qui est visualisé à l’aide de logiciels et de tests en soufflerie. Le flux à l’intérieur d’un tuyau circulaire est un flux interne et peut être facilement visualisé à l’aide de logiciels et d’expériences de laboratoire simples.

7. Écoulement laminaire et Turbulent

En écoulement laminaire, les particules de fluide se déplacent à différentes couches et ne se mélangent pas macroscopiquement. Dans ce type d’écoulement de fluide, nous pouvons prédire le schéma d’écoulement à un instant donné. Toutes les couches suivantes sont parallèles les unes aux autres dans l’écoulement.

En écoulement turbulent, les particules de fluide Se Mélangent et l’écoulement devient aléatoire. Le modèle d’écoulement ne peut pas être prédit avec précision à un instant donné dans ce type d’écoulement. La formation de tourbillons a lieu, ce qui entraîne une grande perte d’énergie.

Le nombre de Reynolds est utilisé pour prédire l’écoulement, c’est-à-dire s’il est turbulent et laminaire. La formule est donnée par:

Re = V * L / µ

Où,

• Re = Nombre de Reynolds
• V = Vitesse du fluide
• L = Caractéristiques longueur de l’Objet où l’écoulement a lieu
• µ = Coefficient de viscosité

Pour l’écoulement interne,

0<= Re<=2000	Flux Laminaire
2000< Re<=4000	Transition de Laminaire à turbulent
4000< Re	Écoulement turbulent

Pour Flux Externe,

0 < = Re<=100000	Flux Laminaire
100000< Re<=500000	Transition de Laminaire à turbulent
500000< Re	Écoulement turbulent

8. Débit de fluide 1-D, 2-D et 3-D:

Dans le type d’écoulement de fluide 1-D, les paramètres de fluide tels que la vitesse sont la fonction du temps et d’une Coordonnée spatiale seulement.

Dans les types d’écoulement de fluide 2D, les paramètres du fluide tels que la vitesse sont la fonction du temps et de deux Coordonnées spatiales.

Dans le flux de fluide 3D, les paramètres du fluide tels que la vitesse sont la fonction du temps et des trois Coordonnées spatiales.

1- D Débit de fluide	u = f(x, t), v = 0 et w=0
2- D débit de fluide	u = f(x, y, t), v = g(x, y, t), w=0
3- D flux de fluide	u = f (x, y, z, t), v = g (x, y, z, t), w = h (x, y, z, t)

Faq

Q.1. Quelle est la différence entre Fluide Compressible et Débit Compressible?

Réponse – Le Fluide Compressible parle du Fluide et de sa variation de densité, tandis que le flux compressible ne parle que du Fluide en Mouvement et de la variation de densité du Fluide en Mouvement. Le fluide peut avoir une densité constante dans des conditions statiques et une densité variable dans des conditions dynamiques. Le nombre de Mach détermine si le flux est compressible ou non. Il ne décide pas des caractéristiques du fluide.

Q.2. Quel type d’écoulement de fluide est pris en compte dans le régime de transition?

Réponse – Cela dépend de la situation et de l’état de votre ordinateur. Si vous avez une valeur proche de turbulente en régime de transition et que vous disposez d’un excellent ordinateur pour la simulation, optez pour turbulent. Sinon, optez pour Laminaire.

Q.3. Le flux d’air traversé par la voiture est-il un flux externe et interne

Réponse – Si nous analysons la traînée aérodynamique d’une voiture, il s’agit d’un flux externe. Il y a une certaine quantité d’air qui va à l’intérieur de la voiture. Comme il est délimité par un solide, Il peut donc être considéré comme un flux interne.

Q.4. Quel est le nom de la loi qui est appliquée dans l’application du liquide de frein?

Réponse – Le nom de la loi est loi Pascale. Il indique que pour un fluide incompressible, la pression est transférée de manière égale dans toutes les directions.

Q.5. Pourquoi la chronologie n’est-elle pas mentionnée dans un flux régulier et instable?

Réponse – Il n’y a pas de concept de chronologie pour un débit régulier, car les paramètres du fluide ne dépendent pas du temps.

Q.6. Qu’est-ce que la pompe?

Réponse – La pompe est un agent externe utilisé dans le mouvement du fluide, contre leur direction naturelle d’écoulement. Par exemple, la pompe est utilisée dans une centrale à vapeur pour prendre l’eau du condenseur à la chaudière à une hauteur.

Q.7. Qu’est-ce que la contrainte de cisaillement?

Réponse – La contrainte de cisaillement est la contrainte développée par la force appliquée tangentiellement à l’Objet sur lequel la force est appliquée.