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Vidéo de question : Explication des transitions entre écoulement laminaire et turbulent dans un fluide visqueux Physique

La figure montre une coupe transversale des lignes de courant d’un liquide circulant autour d’un cylindre. Avant que le fluide n’atteigne le cylindre, le flux est laminaire. Après que le flux a passé derrière le cylindre, il y a une région d’écoulement turbulent. Cependant, après la région d’écoulement turbulent, l’écoulement redevient laminaire. Laquelle des affirmations suivantes explique le plus correctement pourquoi le flux turbulent retourne à une condition de flux laminaire ? [A] Le liquide qui s’écoule se dilate dans la région turbulente. Le fluide se comprime à sa sortie de la région turbulente. [B] Dans les régions d’écoulement turbulent, l’énergie cinétique du fluide est dissipée par frottement visqueux, réduisant la vitesse moyenne du fluide. À mesure que le fluide ralentit, il devient moins turbulent. [C] La viscosité dynamique du liquide est augmentée dans la région turbulente. La viscosité du fluide diminue à sa sortie de la région turbulente.

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Transcription de vidéo

La figure montre une coupe transversale des lignes de courant d’un liquide circulant autour d’un cylindre. Avant que le fluide n’atteigne le cylindre, le flux est laminaire. Après que le flux a passé derrière le cylindre, il y a une région d’écoulement turbulent. Cependant, après la région d’écoulement turbulent, l’écoulement redevient laminaire. Laquelle des affirmations suivantes explique le plus correctement pourquoi le flux turbulent retourne à une condition de flux laminaire ? (A) Le liquide qui s’écoule se dilate dans la région turbulente. Le fluide se comprime à sa sortie de la région turbulente. (B) Dans les régions d’écoulement turbulent, l’énergie cinétique du fluide est dissipée par frottement visqueux, réduisant la vitesse moyenne du fluide. À mesure que le fluide ralentit, il devient moins turbulent. (C) La viscosité dynamique du liquide est augmentée dans la région turbulente. La viscosité du fluide diminue à sa sortie de la région turbulente.

Sur notre schéma, nous voyons des lignes de courant indiquant une section transversale de l’écoulement du fluide. En général, le fluide circule de gauche à droite, mais il rencontre un obstacle avec ce cylindre. Avant que le liquide en écoulement atteigne le cylindre, le flux est laminaire ou lisse. À droite du cylindre, juste en aval, il y a une région d’écoulement turbulent, qui est ensuite suivie d’une région d’écoulement laminaire. Nous voulons choisir celle de ces trois options de réponse qui explique le mieux pourquoi l’écoulement turbulent dans cette région passe à l’écoulement laminaire.

L’option de réponse (A) indique que cela se produit parce que le liquide qui s’écoule se dilate dans la région turbulente puis se comprime à sa sortie de cette région. Il est en effet vrai que notre fluide qui s’écoule est un liquide, et les liquides, nous nous souvenons, sont considérés comme incompressibles. Autrement dit, pour une variation de pression donnée, le changement de densité d’un liquide est négligeable. Cela signifie que lorsque notre liquide coule, il ne se dilate pas ni ne se comprime, car cela irait à l’encontre de son caractère incompressible. Sur cette base, nous savons que l’option de réponse (A) ne peut pas être notre meilleure réponse.

L’option (B) dit que dans la région d’écoulement turbulent, l’énergie cinétique du fluide est dissipée par frottement visqueux, ce qui réduit la vitesse du fluide. À mesure que le fluide ralentit, cette option indique qu’il devient moins turbulent. C’est en effet une bonne description de ce qui se passe. Les écoulements de fluide turbulent sont généralement associés à des vitesses de fluide plus élevées, et par conséquent, les différentes couches du fluide subissent plus de frottement les unes avec les autres. Ce frottement entraîne une dissipation d’énergie, ce qui ralentit le fluide. Un fluide qui se déplace plus lentement aura tendance à couler plus facilement. C’est-à-dire que son écoulement est susceptible d’être laminaire. L’option (B) semble alors être notre meilleure réponse.

Avant de confirmer cela, examinons l’option de réponse (C). Cette option parle de la viscosité dynamique du liquide, qui augmente et diminue dans diverses parties de son flux. Nous savons que cela ne se produira pas parce que la viscosité dynamique, ou simplement la viscosité, d’un liquide est une grandeur fixe. Contrairement à, par exemple, la vitesse ou la pression d’un liquide, ce n’est pas quelque chose qui peut augmenter ou diminuer en fonction de l’écoulement du liquide. Nous pouvons alors éliminer l’option de réponse (C).

Nous avons confirmé que le choix de réponse (B) est la meilleure explication de la raison pour laquelle la région d’écoulement turbulent sur notre schéma est suivie d’une région d’écoulement laminaire. Dans les régions d’écoulement turbulent, l’énergie cinétique du fluide est dissipée par frottement visqueux, réduisant la vitesse moyenne du fluide. À mesure que le fluide ralentit, il devient moins turbulent.

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