★ À maîtriser
Un écoulement est permanent lorsque la vitesse et la profondeur restent invariables dans le temps, tandis qu’il est non-permanent dans le cas contraire.
Un écoulement est uniforme lorsque ses paramètres restent invariables d’une section à l’autre et que la ligne de pente du fond est parallèle à celle de la surface libre, tandis qu’il est non-uniforme lorsque ces paramètres changent entre les sections.
Un écoulement graduellement varié change lentement d’une section à l’autre, tandis qu’un écoulement rapidement varié change brusquement, parfois avec des discontinuités près d’une singularité.
Compléments
📌 Dans un canal en régime permanent, uniforme ou non-uniforme, le débit est conservé entre les sections.
Permanent = stable dans le temps ; uniforme = stable dans l’espace.
★ À maîtriser
📐 Formule — Le rayon hydraulique est donné par , où S est la surface mouillée et P le périmètre mouillé.
Compléments
📐 Formule — La profondeur hydraulique est donnée par , où B est la largeur au miroir.
📐 Formule — La largeur au miroir vérifie .
Visualiser la section mouillée, son contour de contact et sa largeur au miroir.
★ À maîtriser
📌 Un écoulement laminaire conserve un filet coloré rectiligne et parallèle à l’axe du tuyau, tandis qu’un écoulement turbulent produit des tourbillons et mélange rapidement le colorant au fluide ambiant.
📐 Formule — Dans un canal à surface libre, le nombre de Reynolds est donné par , où U est la vitesse moyenne, Rh le rayon hydraulique et ν la viscosité cinématique.
📌 En canal à surface libre, l’écoulement est laminaire pour Re < 500, en transition pour 500 < Re < 1000 et turbulent pour Re > 1000.
Compléments
📐 Formule — La vitesse instantanée est la somme de la vitesse moyenne et de la fluctuation turbulente :
Vitesse croissante → tourbillons → mélange et cascade d’énergie.
★ À maîtriser
📐 Formule — La vitesse moyenne dans une section est donnée par
📐 Formule — Dans un canal prismatique en régime permanent et uniforme, la contrainte de cisaillement moyenne au fond vérifie
📌 Dans un écoulement uniforme, les lignes de courant sont sensiblement rectilignes et la pression est hydrostatique dans la section droite du canal.
Compléments
📌 Un écoulement dans un canal est tridimensionnel lorsqu’il dépend des trois variables x, y et z, tandis qu’il peut être représenté en deux dimensions lorsque la largeur B est grande devant la profondeur h.
📌 Dans un courant extérieurement concave, la force centrifuge augmente les pressions, tandis que dans un courant convexe elle les diminue et peut provoquer une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Écoulement uniforme : pression hydrostatique ; écoulement courbe : pression non hydrostatique.
Lorsque la vitesse de l’écoulement U est inférieure à la célérité c de l’onde de gravité, une onde peut se propager vers l’amont : le régime est fluvial.
Lorsque la vitesse de l’écoulement U est égale à la célérité c de l’onde de gravité, l’onde peut rester statique et le régime est critique.
Lorsque la vitesse de l’écoulement est supérieure à la célérité de l’onde de gravité, l’onde qui se dirigeait vers l’amont s’oriente vers l’aval et le régime devient torrentiel.
U < c : fluvial ; U = c : critique ; U > c : torrentiel.
📐 Formule — Le nombre de Froude est le rapport de la vitesse de l’écoulement sur la célérité des ondes : ; dans un canal rectangulaire, .
Un écoulement est critique lorsque , fluvial ou sous-critique lorsque , et torrentiel ou supercritique lorsque .
En régime fluvial, les ondes se propagent vers l’aval à U+c et vers l’amont à U-c, tandis qu’en régime torrentiel elles ne remontent pas vers l’amont.
Le point de contrôle est situé en amont pour un écoulement torrentiel et en aval pour un écoulement fluvial.
Fluvial : influence aval ; torrentiel : contrôle amont
★ À maîtriser
📐 Formule — La charge spécifique, mesurée par rapport au fond, vaut .
📌 À débit constant, une même charge spécifique peut correspondre à deux hauteurs d’eau : une hauteur torrentielle et une hauteur fluviale.
📐 Formule — La hauteur critique correspond au minimum de la charge spécifique et vérifie , où S_c est la section critique et B_c la largeur au miroir.
Compléments
Charge minimale → hauteur critique
★ À maîtriser
📌 Selon le CETMEF (2005), un seuil est mince lorsque et épais lorsque ; entre ces limites, une étude spécifique est nécessaire. — Notice sur les déversoirs
📐 Formule — Pour un déversoir frontal rectangulaire dénoyé, la loi approchée du débit est , et la valeur moyenne souvent adoptée est .
Compléments
📌 Un seuil est dit aéré lorsqu’une bulle d’air se place immédiatement à l’aval de la structure ; à débit donné, la hauteur amont est alors légèrement supérieure à celle d’un écoulement non aéré.
Dénoyé : l’aval n’influence pas h1 ; noyé : h2 influence h1
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour une vanne rectangulaire, le coefficient de contraction relie la hauteur contractée à l’ouverture par , avec la valeur retenue selon Hager et Schleiss (2009). — Hager & Schleiss
📐 Formule — La forme universelle de la loi d’une vanne rectangulaire est , où Cd est le coefficient de débit, a l’ouverture et b la largeur de la vanne.
Compléments
📐 Formule — Pour une vanne rectangulaire verticale dénoyée, une approximation du coefficient de débit est selon Nasehi Oskuyi (2012). — Nasehi Oskuyi N.
Vanne dénoyée : passage fluvial→torrentiel ; vanne noyée : fluvial→fluvial
★ À maîtriser
📌 Dans un canal Venturi dénoyé, l’écoulement devient critique au niveau du col, arrive en régime fluvial et devient torrentiel après le col ; le débit peut donc être déterminé à partir d’une seule mesure de hauteur amont.
📌 Dans un canal Venturi noyé, l’écoulement critique ne se rencontre plus dans le col, l’aval influence l’amont et le débit ne peut pas être déterminé uniquement à partir de h1.
📐 Formule — Dans un col de largeur b, la hauteur critique vérifie .
Compléments
📐 Formule — Pour un col rectangulaire, la loi simplifiée du canal Venturi s’écrit .
Approche → contraction → col critique → élargissement
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour un écoulement à surface libre uniforme, la pente du canal et la pente énergétique sont égales, soit .
Compléments
📐 Formule — Dans une conduite circulaire en charge, la perte de charge par unité de longueur vérifie .
📐 Formule — La relation de Colebrook-White s’écrit pour .
Pente, rugosité et débit constants → hauteur et vitesse constantes
★ À maîtriser
📐 Formule — La formule de Chézy relie la vitesse moyenne aux caractéristiques du canal par , où C est le coefficient de Chézy. — Antoine Chézy, 1769
📐 Formule — La formule de Manning-Strickler donne , avec .
📐 Formule — Pour une section de canal donnée, le débit en régime permanent et uniforme vérifie .
📌 Pour un débit donné, un canal est à faible pente si I < Ic et hn > hc, tandis qu’il est à forte pente si I > Ic et hn < hc.
Compléments
📐 Formule — La formule de Bazin donne et celle de Kutter donne .
📐 Formule — Pour une section à rugosité composée, le coefficient de frottement équivalent vérifie .
Chézy relie vitesse, pente et rayon ; Manning-Strickler ajoute la rugosité
★ À maîtriser
📐 Formule — L’équation de la courbe de remous s’écrit , hors du cas .
📌 Pour une pente faible, hn > hc, tandis que pour une pente forte, hn < hc ; la pente critique vérifie hn = hc.
Compléments
📐 Formule — Avec la loi de Gauckler-Manning-Strickler, la perte de charge linéaire est .
Pour une pente faible, les courbes M1, M2 et M3 correspondent respectivement aux situations h > hn > hc, hn > h > hc et hn > hc > h.
Pour une pente forte, les courbes S1, S2 et S3 correspondent respectivement aux situations h > hc > hn, hc > h > hn et hc > hn > h.
Pour une pente nulle ou une contre-pente, il n’existe pas de hauteur normale finie ; les courbes possibles sont H2 et H3 pour I=0, et A2 et A3 pour I<0.
🔄 La résolution par intégration directe consiste à: connaître une section de contrôle, intégrer l’équation entre la section connue et la section recherchée, déterminer la distance correspondant à la hauteur recherchée
Comparer I, hn et hc → identifier la courbe → choisir le sens de calcul
★ À maîtriser
Compléments
Ondulé → faible → oscillant → établi → fort, quand Fr augmente
★ À maîtriser
📐 Formule — Pour un ressaut sur fond horizontal, les profondeurs conjuguées h1 et h2 vérifient la relation des hauteurs conjuguées .
📐 Formule — Dans un canal rectangulaire, la perte de charge du ressaut vérifie .
Compléments
Passage torrentiel → fluvial → dissipation locale d’énergie
★ À maîtriser
📌 Dans un déversoir prismatique, la ligne d’eau monte en régime fluvial et descend en régime torrentiel, tandis que dans un déversoir non prismatique elle peut aussi monter en régime torrentiel ou descendre en régime fluvial.
Compléments
Fluvial : la ligne d’eau monte ou descend ; torrentiel : elle descend, ou monte si le canal est non prismatique
★ À maîtriser
📌 Les formules empiriques des déversoirs latéraux sont adaptées à certains écoulements et géométries, tandis que les modèles fondés sur l’énergie spécifique ou la quantité de mouvement recherchent une application plus générale.
📐 Formule — Dans l’approche à énergie spécifique constante, la charge spécifique s’écrit . — Ackers, 1957
Compléments
📐 Formule — La loi de déversement corrigée s’écrit .
L’approche à énergie constante a une erreur d’environ 5 % hors formation d’un ressaut, mais elle ne peut pas être appliquée lorsqu’un ressaut hydraulique apparaît dans le déversoir.
Le modèle fondé sur la quantité de mouvement donne une équation différentielle de la hauteur h(x) qui prend en compte les pertes de charge et permet de déterminer les lignes d’eau permanentes lorsqu’aucun ressaut ne se produit dans le déversoir. — El Khashab et Smith, 1976
Formules empiriques limitées ; modèles énergétiques et impulsionnels plus généraux
★ À maîtriser
📐 Formule — La célérité de l’onde de gravité dans un canal à surface libre vérifie , où D est la profondeur hydraulique.
📐 Formule — Dans la méthode par substitution, l’écoulement est considéré comme uniforme en pratique lorsque , avec Y=h/hn.
📐 Formule — La loi de seuil adaptée au déversoir latéral s’écrit , où les coefficients corrigent les effets de la vitesse latérale et de sa direction.
📐 Formule — Le coefficient de vitesse latérale est défini par , où u est la vitesse du seuil latéral et v celle du seuil frontal.
📐 Formule — L’équation différentielle obtenue pour les déversoirs latéraux est .
Compléments
📐 Formule — Pour une section circulaire, les approximations données sont et .
📐 Formule — Pour un déversoir rectangulaire à crête mince sans contraction latérale, la loi de Kindsvater et Carter s’écrit , avec une hauteur effective . — CETMEF, notice sur les déversoirs, 2005
📐 Formule — La direction de la vitesse latérale intervient par le coefficient .
📐 Formule — Pour un petit angle d’entonnement θ, le coefficient de correction peut s’écrire .
Dans le canal prismatique étudié, la section ne dépend pas explicitement de x, ce qui s’écrit .
La contrainte de frottement en régime non uniforme est approximée par , où J représente la perte de charge.
Les variables du modèle sont:
| Régime | Condition | Propagation des ondes |
|---|---|---|
| Fluvial | U < c | Une onde se propage vers l’amont |
| Critique | U = c | Une onde peut rester statique |
| Torrentiel | U > c | Les ondes s’orientent vers l’aval |
| Régime | Nombre de Froude | Influence et contrôle |
|---|---|---|
| Fluvial ou sous-critique | Fr<1 | Influence aval ; contrôle aval |
| Critique | Fr=1 | Vitesse égale à la célérité |
| Torrentiel ou supercritique | Fr>1 | Pas d’influence aval ; contrôle amont |
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