QCM : Dynamique des fluides réels (17 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quel effet caractérise la viscosité dans un fluide en mouvement ?

Elle augmente la liberté d’écoulement en supprimant les frottements internes.
Elle résiste au mouvement, réduit la liberté d’écoulement et dissipe de l’énergie.
Elle transforme le mouvement en pression sans dissiper d’énergie.
Elle accélère l’écoulement et accroît l’énergie mécanique du fluide.

Elle résiste au mouvement, réduit la liberté d’écoulement et dissipe de l’énergie.

Explication

La viscosité correspond à une résistance au mouvement du fluide, qui freine son écoulement et dissipe de l’énergie. Une hausse de pression peut accompagner certains écoulements, mais elle ne définit pas la viscosité.

2. Quelle association entre viscosité et unité est correcte ?

Les deux viscosités s’expriment en m²·s⁻¹, avec des symboles différents.
La viscosité dynamique s’exprime en m²·s⁻¹ et la viscosité cinématique en Pa·s.
La viscosité dynamique s’exprime en Pa·s et la viscosité cinématique en m²·s⁻¹.
Les deux viscosités s’expriment en Pa·s, avec des symboles différents.

La viscosité dynamique s’exprime en Pa·s et la viscosité cinématique en m²·s⁻¹.

Explication

La viscosité dynamique, notée η ou μ, a pour unité le Pa·s, alors que la viscosité cinématique ν s’exprime en m²·s⁻¹. L’inversion de ces unités est une confusion fréquente, mais elle attribue à chaque grandeur l’unité de l’autre.

3. Deux couches fluides glissent l’une par rapport à l’autre : quelle relation permet de calculer la force de frottement entre elles ?

F=μSdzdvF = \mu S \frac{dz}{dv}
F=μSdvdzF = \mu S \frac{dv}{dz}
F=SμdvdzF = \frac{S}{\mu} \frac{dv}{dz}
F=μSdvdzF = \frac{\mu}{S} \frac{dv}{dz}

$$F = \mu S \frac{dv}{dz}$$

Explication

La force de frottement est le produit de la viscosité dynamique μ, de la surface S et du taux de cisaillement dvdz\frac{dv}{dz}. Placer S au dénominateur modifierait à tort la dépendance de la force vis-à-vis de la surface.

4. Un solide est en contact avec un fluide visqueux en mouvement : quelle force le fluide exerce-t-il sur lui ?

Une force radiale orientée vers l’intérieur du fluide.
Une force verticale indépendante du mouvement du fluide.
Une force normale dirigée vers le centre du solide.
Une force tangentielle à la surface de contact.

Une force tangentielle à la surface de contact.

Explication

Le fluide visqueux en mouvement exerce sur le solide une force tangentielle au contact. Une force normale correspond à une direction perpendiculaire à la surface, et non à la force décrite ici.

5. Quel comportement permet de reconnaître un écoulement laminaire ?

Les particules suivent des trajectoires tourbillonnaires dont l’orientation varie constamment.
Les particules oscillent autour d’une position fixe sans avancer dans le fluide.
Les particules se déplacent en couches qui se mélangent rapidement et de façon chaotique.
Les particules suivent des trajectoires lisses en couches, avec peu de mélange entre couches voisines.

Les particules suivent des trajectoires lisses en couches, avec peu de mélange entre couches voisines.

Explication

Un écoulement laminaire est organisé en couches aux trajectoires lisses, et le mélange entre couches adjacentes y est faible. Des tourbillons changeants caractérisent plutôt l’écoulement turbulent.

6. Quel trait distingue la structure d’un écoulement turbulent ?

Des couches lisses dont les trajectoires restent organisées au cours du temps.
Des couches voisines qui conservent une séparation régulière pendant l’écoulement.
Des trajectoires parallèles qui empêchent les variations locales de vitesse.
Des tourbillons dont la taille, la localisation et l’orientation varient constamment.

Des tourbillons dont la taille, la localisation et l’orientation varient constamment.

Explication

La turbulence comporte des tourbillons qui changent continuellement de taille, de position et d’orientation. Des trajectoires lisses et organisées renvoient plutôt au régime laminaire.

7. Dans un écoulement, certaines zones possèdent un excès d’énergie cinétique : dans quelle situation la turbulence apparaît-elle ?

Lorsque l’énergie cinétique devient trop faible pour maintenir le mouvement du fluide.
Lorsque la viscosité dissipe l’excès d’énergie avant qu’il ne perturbe l’écoulement.
Lorsque cet excès contrecarre l’amortissement produit par la viscosité.
Lorsque les couches fluides perdent tout échange d’énergie et restent ordonnées.

Lorsque cet excès contrecarre l’amortissement produit par la viscosité.

Explication

La turbulence apparaît lorsque l’énergie cinétique excédentaire dans certaines parties de l’écoulement l’emporte sur l’effet amortissant de la viscosité. Si la viscosité dissipe cet excès, elle s’oppose plutôt à l’apparition de la turbulence.

8. Quel changement des conditions d’écoulement favorise le passage vers un régime turbulent ?

Une vitesse plus élevée associée à une viscosité plus faible.
Une vitesse plus faible associée à une viscosité plus faible.
Une vitesse plus faible associée à une viscosité plus élevée.
Une vitesse plus élevée associée à une viscosité plus élevée.

Une vitesse plus élevée associée à une viscosité plus faible.

Explication

Une faible viscosité et une vitesse élevée favorisent la turbulence, tandis qu’une viscosité élevée et une faible vitesse favorisent le régime laminaire. Le second ensemble de conditions indiqué ici tend donc plutôt vers un écoulement laminaire.

9. Quelle région définit la couche limite au voisinage d’un solide ?

Une zone mince où les forces de viscosité sont prépondérantes.
Une zone étendue où les forces de pression dominent le mouvement du fluide.
Une zone épaisse où la vitesse du fluide reste uniforme près de la surface.
Une région éloignée du solide où les forces de viscosité sont négligeables.

Une zone mince où les forces de viscosité sont prépondérantes.

Explication

La couche limite est une zone de faible épaisseur près d’un solide, dans laquelle les forces de viscosité sont prépondérantes. Une région éloignée de la paroi où ces forces deviennent négligeables ne correspond pas à cette définition.

10. Dans un écoulement laminaire entre deux plaques, comment évolue la vitesse lorsqu’on s’approche d’une plaque ?

Elle reste homogène jusqu’au contact avec la plaque.
Elle change de sens avant d’atteindre la plaque.
Elle diminue à mesure que l’on se rapproche de la plaque.
Elle augmente à mesure que l’on se rapproche de la plaque.

Elle diminue à mesure que l’on se rapproche de la plaque.

Explication

Dans le profil laminaire entre deux plaques, la vitesse diminue à mesure que l’on se rapproche des plaques. Un profil homogène près des parois est associé au profil turbulent décrit, et non à ce profil laminaire.

11. Dans l’expérience de Reynolds, que devient le filet coloré lorsque la vitesse du fluide dans le tube est élevée ?

Il suit un trajet complexe qui varie dans le temps et l’espace.
Il ralentit progressivement et s’immobilise au centre du tube.
Il reste rectiligne et parallèle à l’axe du tube.
Il se déplace vers la paroi en suivant une trajectoire stable.

Il suit un trajet complexe qui varie dans le temps et l’espace.

Explication

À grande vitesse, le mouvement du filet devient complexe et variable dans le temps et l’espace, contrairement à son trajet rectiligne à faible vitesse. Le trajet rectiligne correspond donc au comportement observé à faible vitesse.

12. Dans une conduite, quelle modification favorise le régime laminaire plutôt que la turbulence ?

Augmenter la viscosité dynamique du fluide et le diamètre de la conduite.
Augmenter la vitesse du fluide et la masse volumique du fluide.
Réduire la viscosité dynamique et augmenter la vitesse du fluide.
Réduire le diamètre de la conduite et augmenter la masse volumique.

Augmenter la viscosité dynamique du fluide et le diamètre de la conduite.

Explication

Une viscosité dynamique et un diamètre de conduite plus grands favorisent le régime laminaire. Une vitesse ou une masse volumique plus grande favorise plutôt la turbulence.

13. Que représente le nombre de Reynolds dans l’écoulement d’un fluide ?

Le rapport des forces d’inertie aux forces de frottement visqueux.
La différence entre la vitesse du fluide et sa viscosité dynamique.
La somme des forces de pression et des forces d’inertie du fluide.
Le rapport des forces de frottement visqueux aux forces de pression.

Le rapport des forces d’inertie aux forces de frottement visqueux.

Explication

Le nombre de Reynolds combine notamment la masse volumique, la vitesse, la viscosité et une dimension caractéristique pour exprimer le rapport entre inertie et frottement visqueux. Il ne représente pas un rapport entre frottement visqueux et pression.

14. Dans une conduite, comment caractérise-t-on le régime intermédiaire en fonction du nombre de Reynolds ?

Il apparaît pour des valeurs de Re comprises entre 2000 et 3000.
Il apparaît pour des valeurs de Re inférieures à 2000, avant le seuil critique.
Il apparaît dès que Re dépasse 3000, après un régime laminaire prolongé.
Il se situe autour de Re = 2000, valeur correspondant à un régime pleinement turbulent.

Il apparaît pour des valeurs de Re comprises entre 2000 et 3000.

Explication

Le régime intermédiaire est associé à 2000<Re<30002000 < Re < 3000, tandis que la transition commence autour de Re≈2000Re \approx 2000. La valeur proche de 2000 marque le début de la transition, pas à elle seule l’intervalle complet du régime intermédiaire.

15. Quel rôle joue la viscosité de l’air dans l’écoulement autour d’un corps profilé ?

Elle empêche la formation d’une couche limite autour du corps profilé.
Son effet se limite à la couche limite, car elle est bien plus faible que celle de l’eau.
Elle domine l’écoulement autour du corps et impose un régime visqueux partout.
Elle est supérieure à celle de l’eau et agit surtout loin de la paroi.

Son effet se limite à la couche limite, car elle est bien plus faible que celle de l’eau.

Explication

La viscosité de l’air est bien plus faible que celle de l’eau et son effet se concentre dans la couche limite autour du corps profilé. Elle ne domine donc pas l’écoulement dans tout le champ autour du corps.

16. Pour décrire le nombre de Reynolds local sur une aile, quelle longueur caractéristique utilise-t-on à un point de la surface ?

L’épaisseur maximale du profil, mesurée perpendiculairement à la corde.
La distance entre le point considéré et le bord d’attaque.
La distance entre le point considéré et le bord de fuite.
La corde totale de l’aile, mesurée entre ses bords d’attaque et de fuite.

La distance entre le point considéré et le bord d’attaque.

Explication

Le Reynolds local est fondé sur la distance parcourue le long de la paroi depuis le bord d’attaque. La corde totale caractérise le profil, mais ne remplace pas cette distance locale.

17. Comment évolue la couche limite le long d’une aile à partir du bord d’attaque ?

Elle est d’abord laminaire, puis devient turbulente après le point de transition.
Elle reste laminaire tout le long, tandis que l’écoulement extérieur devient turbulent.
Elle est d’abord turbulente, puis devient laminaire après le point de transition.
Elle alterne entre régimes laminaire et turbulent avant le bord d’attaque.

Elle est d’abord laminaire, puis devient turbulente après le point de transition.

Explication

La couche limite commence par être laminaire au bord d’attaque, puis devient turbulente après le point de transition. Le régime turbulent ne précède donc pas le régime laminaire sur l’aile.

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Que désigne la viscosité d’un fluide ?

Les phénomènes de résistance à son mouvement, qui diminuent sa liberté d’écoulement et dissipent son énergie.

En quelles unités s’exprime la viscosité dynamique ?

En pascals-secondes (Pa·s).

En quelles unités s’exprime la viscosité cinématique ?

En mètres carrés par seconde (m²·s⁻¹).

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