Hydraulique : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Poussée hydrostatique

Pression à une profondeur: p = ρgh
Force sur une paroi verticale: F = ρg·h_c·A
Centre de poussée: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
Rectangle: I_c = bH³/12

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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K: entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre: P_shaft = P_h/η_pump
Puissance électrique: P_el = P_shaft/η_motor
Hauteur manométrique de la pompe: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Pertes du réseau: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Écoulement à surface libre (Manning)

Formule de Manning: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
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·R^2/3))²

2Exercices

1.Poussée hydrostatiqueMoyen

Une vanne rectangulaire verticale de 2 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 = 2,5 mb = 2 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 2,5 m sous la surface. Trouvez la profondeur y_cp du centre de poussée sous la surface.

d = 2,5 mH = 2 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²

y_cp = m

3.Continuité et BernoulliMoyen

Un tube de Pitot statique dans une conduite d’eau indique une différence de 25 kPa entre la pression d’arrêt et la pression statique. Trouvez la vitesse de l’eau v à l’extrémité du tube.

p₀ − p = 25 kPaρ = 1000 kg/m³

v = m/s

4.Continuité et BernoulliDifficile

L’eau monte dans une conduite qui se rétrécit de 75 mm à 40 mm en s’élevant de 2 m. En section 1, la pression vaut 340 kPa et la vitesse 3 m/s. En négligeant les pertes, trouvez la pression p₂ en section 2.

d₁ = 75 mmd₂ = 40 mmp₁ = 340 kPav₁ = 3 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

5.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen

De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 1,2 m/s dans une conduite horizontale de 500 m de long et de diamètre intérieur 200 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.

V = 1,2 m/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,018ρ = 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 = 0,018. 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 = 0,2) et la sortie dans le réservoir inférieur (K = 1,0). Prenez g = 9,81 m/s². Quelle différence de niveau d’eau Δz entre les réservoirs donne un débit de 25 L/s ?

Q = 25 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 0,2K_exit = 1,0

Δz = m

7.Pompes et puissance de pompageMoyen

Une pompe débite 150 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 36 m. Le rendement de la pompe est de 70 % et le moteur électrique qui l’entraîne a un rendement de 95 %. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez la puissance électrique P_el absorbée par le moteur, en kW.

Q = 150 L/sH = 36 mη_pump = 70%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

8.Pompes et puissance de pompageDifficile

Une pompe refoule 40 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 27 m plus haut. La conduite mesure 300 m de long, a un diamètre intérieur de 150 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,018 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 8 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le rendement de la pompe est de 72 %. Trouvez la puissance sur l’arbre P_shaft en kW.

Q = 40 L/sΔz = 27 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8η = 72%

P_shaft = kW

9.Écoulement à surface libre (Manning)Moyen

Un canal trapézoïdal en gravier a une largeur au fond de 4,5 m et un fruit des berges de 2:1 (horizontal:vertical). L’eau s’écoule uniformément sur 0,6 m de profondeur. n de Manning = 0,025 et la pente du fond vaut S = 0,0005. Trouvez le débit Q en m³/s.

b = 4,5 my = 0,6 mz = 2n = 0,025S = 0,0005

Q = m³/s

10.Écoulement à surface libre (Manning)Difficile

Un collecteur en béton de diamètre intérieur 300 mm (n de Manning = 0,013) doit atteindre une vitesse d’autocurage de 0,6 m/s lorsqu’il coule tout juste plein. Trouvez la pente minimale S (en m/m).

D = 300 mmn = 0,013V = 0,6 m/s

S = m/m

3Solutions

1.Poussée hydrostatique

Réponse: F = 110,4 kN

Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·y_c·A. Elle agit au centre de poussée, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), toujours situé sous le centre de gravité.

Profondeur du centre de gravité et aire

y_c = d + H/2 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m

A = H·b = 2,5·2 = 5 m²

Force résultante

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9,81·2,25·5 = 110,4 kN

Réponse

F = 110,4 kN

2.Poussée hydrostatique

Réponse: y_cp = 3,595 m

Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·y_c·A. Elle agit au centre de poussée, y_cp = y_c + I_c/(y_cA), toujours situé sous le centre de gravité.

Profondeur du centre de gravité et aire

y_c = d + H/2 = 2,5 + 2/2 = 3,5 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

Force résultante

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9,81·3,5·6 = 211,2 kN

Centre de poussée

La pression augmente avec la profondeur, donc la résultante agit sous le centre de gravité.

I_c = b·H³/12 = 3·2³/12 = 2 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 3,5 + 2/(3,5·6) = 3,595 m

Réponse

y_cp = 3,595 m

3.Continuité et Bernoulli

Réponse: v = 7,071 m/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.

Bernoulli jusqu’au point d’arrêt

L’écoulement s’arrête à l’extrémité du tube, donc son énergie cinétique apparaît sous forme de surpression.

p₀ − p = ½ρv²

v = √(2·25000/1000) = 7,071 m/s

Réponse

v = 7,071 m/s

4.Continuité et Bernoulli

Réponse: p₂ = 269,3 kPa

Continuité et Bernoulli : pour un fluide incompressible, le débit est le même dans toutes les sections, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Le long d’une ligne de courant sans pertes, p + ½ρv² + ρgz est constant, donc là où le fluide va plus vite ou plus haut, sa pression est plus faible.

Continuité et Bernoulli

Travaillez en Pa, puis divisez par 1000 pour obtenir des kPa.

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 3·(75/40)² = 10,55 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(3² − 10,55²)/1000 = −51,12 kPa

ρgΔz = 1000·9,81·2/1000 = 19,62 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 340 + (−51,12) − 19,62 = 269,3 kPa

Réponse

p₂ = 269,3 kPa

5.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δp = 32,4 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières h_m = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = h_f + h_m, perte de sortie K = 1 comprise.

Perte de charge

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,2)·1,2²/(2·9,81) = 3,303 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·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·3,303 = 32400 Pa = 32,4 kPa

Réponse

Δp = 32,4 kPa

6.Frottement en conduite et pertes de charge

Réponse: Δz = 1,52 m

Vitesse

V = Q/A = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s

V²/(2g) = 0,102 m

Coefficients de perte de charge

f·L/D = 0,018·100/0,15 = 12

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Perte de charge totale

h_f = 12·0,102 = 1,224 m

h_m = 2,9·0,102 = 0,2958 m

Δz = h_f + h_m = 1,52 m

Réponse

Δz = 1,52 m

7.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_el = 79,66 kW

Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : P_shaft = P_h/η_pump, et le moteur absorbe P_el = P_shaft/η_motor. 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

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,15·36 = 52,97 kW

Puissance sur l’arbre

P_shaft = 52,97/0,7 = 75,68 kW

Puissance électrique

P_el = 75,68/0,95 = 79,66 kW

Réponse

P_el = 79,66 kW

8.Pompes et puissance de pompage

Réponse: P_shaft = 20,98 kW

Vitesse

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Pertes de charge

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 8)·0,2611 = 11,49 m

Hauteur manométrique de la pompe

H = Δz + h_L = 27 + 11,49 = 38,49 m

Puissance sur l’arbre

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·38,49/0,72 = 20,98 kW

Réponse

P_shaft = 20,98 kW

9.Écoulement à surface libre (Manning)

Réponse: Q = 1,865 m³/s

Formule de Manning (SI) : pour un écoulement uniforme dans un canal à surface libre, V = (1/n)·R^2/3·S^1/2 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 = (4,5 + 2·0,6)·0,6 = 3,42 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 4,5 + 2·0,6·√(1 + 2²) = 7,183 m

R = A/P = 0,4761 m

Vitesse

V = (1/0,025)·0,4761^2/3·0,0005^1/2 = 0,5454 m/s

Débit

Q = A·V = 3,42·0,5454 = 1,865 m³/s

Réponse

Q = 1,865 m³/s

10.Écoulement à surface libre (Manning)

Réponse: S = 0,001924 m/m

Rayon hydraulique

R = D/4 = 0,3/4 = 0,075 m

Résoudre Manning pour S

S = (n·V/R^2/3)² = (0,013·0,6/0,1778)² = 0,001924

Réponse

S = 0,001924

Cela correspond à une pente de 1,924 m par kilomètre.

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