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Saturday, 27 July 2024

Vidange d'une clepsydre (20 minutes de préparation) Un réservoir de forme sphérique, de rayon R = 40 cm, est initialement rempli à moitié d'eau de masse volumique ρ = 10 3 kg. m – 3. La pression atmosphérique P 0 règne au-dessus de la surface libre de l'eau grâce à une ouverture pratiquée au sommet S du réservoir. Un MOOC pour la Physique - Exercice : Vidange d'une clepsydre. On ouvre à t = 0 un orifice A circulaire de faible section s = 1 cm 2 au fond du réservoir. Question Établir l'équation différentielle en z s (t), si z s (t) est la hauteur d'eau dans le réservoir comptée à partir de A, à l'instant t. Solution En négligeant la vitesse de la surface libre de l'eau, le théorème de Bernoulli entre la surface et la sortie A donne: \(P_0 + \mu gz = P_0 + \frac{1}{2}\mu v_A^2\) D'où: \(v_A = \sqrt {2gz_S}\) On retrouve la formule de Torricelli. L'eau étant incompressible, le débit volumique se conserve: \(sv_A = - \pi r^2 \frac{{dz_S}}{{dt}}\) Or: \(r^2 = R^2 - (R - z_S)^2 = z_S (2R - z_S)\) Soit, après avoir séparé les variables: \((2R - z_S)\sqrt {z_S} \;dz_S = - \frac{{s\sqrt {2g}}}{\pi}\;dt\) Question Exprimer littéralement, puis calculer, la durée T S de vidange de ce réservoir.

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Vidange de rservoirs Théorème de Torricelli On considère un récipient de rayon R(z) et de section S 1 (z) percé par un petit trou de rayon r et de section S 2 contenant un liquide non visqueux. Soit z la hauteur verticale entre le trou B et la surface du liquide A. Si r est beaucoup plus petit que R(z) la vitesse du fluide en A est négligeable devant V, vitesse du fluide en B. Le théorème de Bernouilli permet d'écrire que: PA − PB + μ. g. z = ½. μ. V 2. Comme PA = PB (pression atmosphérique), il vient: V = (2. z) ½. La vitesse d'écoulement est indépendante de la nature du liquide. Écoulement d'un liquide par un trou Si r n'est pas beaucoup plus petit que R(z), la vitesse du fluide en A n'est plus négligeable. On peut alors écrire que S1. V1 = S2. Vidange d'un réservoir exercice corrigé. V2 (conservation du volume). Du théorème de Bernouilli, on tire que: La vitesse d'écoulement varie avec z. En écrivant la conservation du volume du fluide, on a: − S 1 = S 2. V 2 Le récipient est un volume de révolution autour d'un axe vertical dont le rayon à l'altitude z est r(z) = a. z α S 1 = π. r² et S 2 = πa².

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Lorsque;, on se trouve dans le cas de l'écoulement permanent (formule de Torricelli), on peut donc écrire:

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Lécoulement est à deux dimensions (vitesses parallèles au plan xOy et indépendantes de z) et stationnaire. Un point M du plan xOy est repéré par ses coordonnées polaires. Lobstacle, dans son voisinage, déforme les lignes de courant; loin de lobstacle, le fluide est animé dune vitesse uniforme. Lécoulement est supposé irrotationnel. 3)1) Déduire que et que. 3)2) Ecrire les conditions aux limites satisfait par le champ de vitesses au voisinage de lobstacle (), à linfini (). 3)3) Montrer quune solution type est solution de. En déduire léquation différentielle vérifiée par. Exercice : Temps de vidange d'un réservoir [HYDRAULIQUE pour le génie des procédés]. Intégrer cette équation différentielle en cherchant des solutions sous la forme. Calculer les deux constantes dintégration et exprimer les composantes du champ de vitesses. 3)4) Reprendre cet exercice en remplaçant le cylindre par une sphère de rayon R. On remarquera que le problème a une symétrie autour de laxe des x. On rappelle quen coordonnées sphériques, compte tenu de la symétrie de révolution autour de l'axe des x, 31 | Rponse 32 | Rponse 33 | Rponse 34 |

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Solution La durée de vidange T S est: \(T_S = - \frac{\pi}{{s\sqrt {2g}}}\int_R^0 {(2Rz_S ^{1/2} - z_S ^{3/2})dz_S}\) Soit: \(T_S = \frac{{7\pi R^2}}{{15s}}\sqrt {\frac{{2R}}{g}}\) L'application numérique donne 11 minutes et 10 secondes. Introduction à la mécanique des fluides - Exercice : Etablissement de l'écoulement dans une conduite. Question Clepsydre: Soit un récipient (R 0) à symétrie de révolution autour de l'axe Oz, de méridienne d'équation \(r=az^n\) Où r est le rayon du réservoir aux points de cote z comptée à partir de l'orifice C, de faible section s = 1 cm 2 percé au fond du réservoir. Déterminer les coefficients constants n et a, donc la forme de (R 0), pour que le cote du niveau d'eau placée dans (R 0) baisse régulièrement de 6 cm par minute au cours de la vidange. Solution La clepsydre est caractérisée par une baisse du niveau par seconde constante: \(k = - \frac{{dz}}{{dt}} = - 10^{ - 3} \;m. s^{ - 1}\) On peut encore écrire: \(v_A = \sqrt {2gz} \;\;\) et \(sv_A = - \pi r^2 \frac{{dz}}{{dt}}\) Soit: \(s\sqrt {2gz} = - \pi r^2 \frac{{dz}}{{dt}} = \pi r^2 k\) Or, \(r=az^n\), donc: \(s\sqrt {2g} \;z^{1/2} = \pi a^2 k\;z^{2n}\) Cette relation est valable pour tout z, par conséquent n = 1 / 4.

Il existe une ligne de courant ente le point A situé à la surface libre et le point M dans la section de sortie, on peut donc appliquer la relation de Bernouilli entre ces deux points: En considérant les conditions d'écoulement, on a:. En outre, comme la section du réservoir est grande par rapport à celle de l'orifice, la vitesse en A est négligeable par rapport à celle de M: V_A = 0 (il suffit d'appliquer la conservation du débit pour s'en rendre compte). En intégrant ces données dans l'équation, on obtient: D'où

On considère une conduite horizontale, de section constante, de longueur l, alimentée par un réservoir de grandes dimensions où le niveau est maintenu constant. A l'extrémité de la conduite, une vanne permet de réguler le débit. A l'instant t = 0, la vanne est fermée et on l'ouvre brutalement. Question Etablir la relation entre le temps d'établissement de l'écoulement et la vitesse maximale du fluide. Vidange d un réservoir exercice corrigé du bac. Indice 1 - Utilisez la relation de Bernoulli en mouvement non permanent entre un point de la surface libre et un point à la sortie du tuyau. 2 - ne dépend que du temps, on a donc la formule suivante: Solution Etablir la relation entre le temps d'établissement de l'écoulement et la vitesse maximale du fluide. En un point à la distance x de O la relation de Bernouilli en régime non permanent s'écrit: La section du tuyau est constante donc V et ont la même valeur le long du tuyau. En, la relation précédente s'écrit donc: Comme V ne dépend que du temps, on peut écrire. L'équation devient donc: En intégrant, on obtient: L'intégration précédente fait apparaître une constante, mais celle-ci est nulle car la vitesse est nulle à t=0.

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