Poussée hydrostatique
- Pression à une profondeur
- p = ρgh
- Force sur une paroi verticale
- F = ρg·hc·A
- Centre de poussée
- yp = yc + Ic/(ycA)
- Rectangle
- Ic = bH³/12
Hydraulique : pack de révision
Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.
1Formules et méthodes
Continuité et Bernoulli
- Continuité
- A1v1 = A2v2
- Bernoulli
- p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
- Débit
- Q = A·v
- Aire du disque
- A = πd²/4
Frottement en conduite et pertes de charge
- Nombre de Reynolds
- Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
- Régime d’écoulement
- laminaire en dessous de Re ≈ 2000, turbulent au-dessus de Re ≈ 4000
- Vitesse moyenne
- V = Q/A, A = π·D²/4
- Darcy–Weisbach
- hf = f·(L/D)·V²/(2g)
- Pertes de charge singulières
- hm = ΣK·V²/(2g)
- Valeurs typiques de K
- entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
- Chute de pression
- Δp = ρ·g·hf
- Deux réservoirs à l’air libre
- Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
- Sortie libre
- H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Pompes et puissance de pompage
- Puissance hydraulique
- Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
- Puissance sur l’arbre
- Pshaft = Ph/ηpump
- Puissance électrique
- Pel = Pshaft/ηmotor
- Hauteur manométrique de la pompe
- H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
- Pertes du réseau
- hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Écoulement à surface libre (Manning)
- Formule de Manning
- V = (1/n)·R2/3·S1/2
- Débit
- Q = A·V
- Rayon hydraulique
- R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
- Rectangle
- A = b·y, P = b + 2y
- Trapèze (fruit des berges z:1)
- A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
- Conduite circulaire, pleine ou à moitié pleine
- R = D/4
- Pente nécessaire
- S = (n·Q/(A·R2/3))²
2Exercices
1.Poussée hydrostatiqueMoyen
Une vanne rectangulaire verticale de 1 m de large est placée dans la paroi d’un réservoir de eau, avec son bord supérieur à 1 m sous la surface. Trouvez la force hydrostatique résultante F sur la vanne.
d = 1 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Poussée hydrostatiqueDifficile
Une vanne rectangulaire verticale de 3 m de large est placée dans la paroi d’un réservoir de eau de mer, avec son bord supérieur à 1,5 m sous la surface. Trouvez la force hydrostatique résultante F sur la vanne.
d = 1,5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuité et BernoulliMoyen
De l’eau s’écoule d’un grand réservoir ouvert par un orifice à arête vive de 25 mm de diamètre. Le niveau d’eau est maintenu à 3,5 m au-dessus de l’orifice et le coefficient de débit vaut 0,62. Trouvez le débit Q. Prenez g = 9,81 m/s².
d = 25 mmh = 3,5 mCd = 0,62g = 9,81 m/s²
Q = L/s
4.Continuité et BernoulliDifficile
Un tuyau de 25 mm de diamètre intérieur siphonne l’eau d’un réservoir ouvert. Le point le plus haut C du tuyau est à 3 m au-dessus de la surface de l’eau, et la sortie (à l’air libre) est à 2,5 m sous la surface de l’eau. Négligez les pertes et prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q.
d = 25 mmzC = +3 mz2 = −2,5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
5.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 2,7 m/s dans une conduite horizontale de 1000 m de long et de diamètre intérieur 50 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,03 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.
V = 2,7 m/sL = 1000 mD = 50 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
Deux réservoirs à l’air libre sont reliés par une conduite de 100 m de long, de diamètre intérieur 150 mm et de coefficient de frottement de Darcy f = 0,02. La surface de l’eau du réservoir supérieur est 21 m plus haut que celle du réservoir inférieur. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 4 coudes (K = 0,3 chacun), une vanne (K = 5) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le débit Q en L/s.
Δz = 21 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
7.Pompes et puissance de pompageMoyen
Lors d’un essai, une pompe débite 40 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 16 m tandis que son arbre absorbe 9,7 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.
Q = 40 L/sH = 16 mPshaft = 9,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
8.Pompes et puissance de pompageDifficile
Une pompe refoule 50 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 7 m plus haut. La conduite mesure 300 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,015 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.
Q = 50 L/sΔz = 7 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m
9.Écoulement à surface libre (Manning)Moyen
Un canal trapézoïdal en terre propre a une largeur au fond de 1,5 m et un fruit des berges de 1:1 (horizontal:vertical). L’eau s’écoule uniformément sur 0,5 m de profondeur. n de Manning = 0,022 et la pente du fond vaut S = 0,004. Trouvez le débit Q en m³/s.
b = 1,5 my = 0,5 mz = 1n = 0,022S = 0,004
Q = m³/s
10.Écoulement à surface libre (Manning)Difficile
Un canal rectangulaire en béton brut de 4,5 m de large doit transporter 20 m³/s en écoulement uniforme à une profondeur de 1,3 m. n de Manning = 0,014. Trouvez la pente du fond nécessaire S (en m/m).
Q = 20 m³/sb = 4,5 my = 1,3 mn = 0,014
S = m/m
3Solutions
1.Poussée hydrostatique
Réponse: F = 73,58 kN
Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·yc·A. Elle agit au centre de poussée, ycp = yc + Ic/(ycA), toujours situé sous le centre de gravité.
Profondeur du centre de gravité et aire
yc = d + H/2 = 1 + 3/2 = 2,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Force résultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,5·3 = 73,58 kN
Réponse
F = 73,58 kN
2.Poussée hydrostatique
Réponse: F = 60,33 kN
Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·yc·A. Elle agit au centre de poussée, ycp = yc + Ic/(ycA), toujours situé sous le centre de gravité.
Profondeur du centre de gravité et aire
yc = d + H/2 = 1,5 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
Force résultante
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·2·3 = 60,33 kN
Réponse
F = 60,33 kN
3.Continuité et Bernoulli
Réponse: Q = 2,522 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Vitesse idéale du jet
√(2gh) = √(2·9,81·3,5) = 8,287 m/s
Débit réel
Le coefficient de débit tient compte de la contraction du jet et du frottement sur l’arête.
Q = Cd·A·√(2gh) = 0,62·0,0004909·8,287 = 0,002522 m³/s = 2,522 L/s
Réponse
Q = 2,522 L/s
4.Continuité et Bernoulli
Réponse: Q = 3,438 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Vitesse dans le tuyau
La surface et la sortie sont toutes deux à l’air libre, donc les termes de pression s’annulent.
v = √(2g·2,5) = √(2·9,81·2,5) = 7,004 m/s
Débit
Q = A·v = 0,0004909·7,004 = 0,003438 m³/s = 3,438 L/s
Réponse
Q = 3,438 L/s
5.Frottement en conduite et pertes de charge
Réponse: Δp = 2187 kPa
Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.
Perte de charge
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(1000/0,05)·2,7²/(2·9,81) = 222,9 m
Chute de pression
La conduite est horizontale et la vitesse ne change pas ; l’équation de l’énergie se réduit donc à Δp = ρ·g·hf.
Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·222,9 = 2,187 × 10⁶ Pa = 2187 kPa
Réponse
Δp = 2187 kPa
6.Frottement en conduite et pertes de charge
Réponse: Q = 78,21 L/s
Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.
Coefficients de perte de charge
f·L/D = 0,02·100/0,15 = 13,33
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7
Équation de l’énergie
Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; tout Δz est donc perdu dans la conduite.
21 = (13,33 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·21/21,03) = 4,426 m/s
Débit
Q = V·π·D²/4 = 4,426·0,01767 = 0,07821 m³/s = 78,21 L/s
Réponse
Q = 78,21 L/s
7.Pompes et puissance de pompage
Réponse: η = 64,73 %
Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.
Puissance hydraulique
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·16 = 6,278 kW
Rendement
η = Ph/Pshaft = 6,278/9,7 = 64,73%
Réponse
η = 64,73%
8.Pompes et puissance de pompage
Réponse: H = 10,94 m
Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.
Vitesse
V = Q/A = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m
Pertes de charge
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 8)·0,1291 = 3,938 m
Hauteur manométrique de la pompe
Les deux surfaces sont à l’air libre et pratiquement au repos ; les termes de pression et de vitesse disparaissent donc.
H = Δz + hL = 7 + 3,938 = 10,94 m
Réponse
H = 10,94 m
9.Écoulement à surface libre (Manning)
Réponse: Q = 1,409 m³/s
Formule de Manning (SI) : pour un écoulement uniforme dans un canal à surface libre, V = (1/n)·R2/3·S1/2 et Q = A·V, avec n le coefficient de rugosité, S la pente du fond (m/m) et R = A/P le rayon hydraulique : section mouillée divisée par le périmètre mouillé. Seule la paroi en contact avec l’eau compte dans P, pas la surface libre. Rectangle : A = b·y, P = b + 2y. Trapèze de fruit des berges z:1 (horizontal:vertical) : A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Une conduite circulaire pleine ou à moitié pleine a R = D/4.
Géométrie
A = (b + z·y)·y = (1,5 + 1·0,5)·0,5 = 1 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1,5 + 2·0,5·√(1 + 1²) = 2,914 m
R = A/P = 0,3431 m
Vitesse
V = (1/0,022)·0,34312/3·0,0041/2 = 1,409 m/s
Débit
Q = A·V = 1·1,409 = 1,409 m³/s
Réponse
Q = 1,409 m³/s
10.Écoulement à surface libre (Manning)
Réponse: S = 0,002966 m/m
Formule de Manning (SI) : pour un écoulement uniforme dans un canal à surface libre, V = (1/n)·R2/3·S1/2 et Q = A·V, avec n le coefficient de rugosité, S la pente du fond (m/m) et R = A/P le rayon hydraulique : section mouillée divisée par le périmètre mouillé. Seule la paroi en contact avec l’eau compte dans P, pas la surface libre. Rectangle : A = b·y, P = b + 2y. Trapèze de fruit des berges z:1 (horizontal:vertical) : A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Une conduite circulaire pleine ou à moitié pleine a R = D/4.
Géométrie
A = b·y = 4,5·1,3 = 5,85 m²
P = b + 2y = 4,5 + 2·1,3 = 7,1 m
R = A/P = 0,8239 m
Résoudre Manning pour S
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,014·20/(5,85·0,8789) = 0,05446
S = 0,05446² = 0,002966
Réponse
S = 0,002966
Cela correspond à une pente de 2,966 m par kilomètre.
ExamProblems · examproblems.com/courses/hydraulic-engineering