QCM : Énergie et écoulements des fluides (32 questions)

Explication

La LEMA a été adoptée le 30 décembre 2006 et vise à atteindre un bon état des eaux. Les dates de 1991 et de 2000 correspondent à des directives européennes, tandis que le 3 janvier 1992 est la date d’une loi antérieure sur l’eau.

Explication

Le flux de pollution se détermine en multipliant le débit par la concentration, ce qui nécessite de mesurer le débit et d’échantillonner pour connaître la concentration. La concentration seule omet le débit, l’addition ne respecte pas la relation, et la division inverse l’opération.

Explication

Les communes doivent surveiller les systèmes de collecte des eaux usées ainsi que les stations d’épuration afin d’en maintenir et d’en vérifier l’efficacité. La surveillance des cours d’eau et des canaux relève d’une autre disposition, tandis que la police de l’eau reçoit les bilans des exploitants.

Explication

Les arrêtés du 22 juin 2007 et du 21 juillet 2015 remplacent celui du 22 décembre 1994 et portent l’autosurveillance de 2 à 6 points de contrôle. La réduction inverse l’évolution, et le maintien à 2 ou à 6 ne décrit pas le passage prévu.

Explication

Les exploitants publics comme privés doivent réaliser l’autosurveillance de leurs installations et transmettre à la police de l’eau des bilans attestant leur bon fonctionnement. Exclure les exploitants privés, omettre les bilans ou omettre l’autosurveillance ne répond pas à cette obligation.

Explication

Un fluide est un gaz ou un liquide sans forme propre, capable de s’écouler et d’épouser la forme de son récipient. La conservation de forme caractérise plutôt un solide, tandis que la compressibilité et la surface libre ne définissent pas tous les fluides.

Explication

La masse volumique est le rapport de la masse au volume : $\rho=\frac{6}{2}=3\,\text{kg/m}^3$. L’inversion donne $\frac{1}{3}$, l’addition donne 8, et 2 correspond ici au volume, pas à la masse volumique.

Explication

Un fluide parfait est défini par une viscosité nulle et donc par l’absence de frottement. Une masse volumique nulle, des frottements visqueux ou une vitesse nulle ne font pas partie de cette définition.

Explication

La continuité impose $S_1V_1=S_2V_2$, donc $V_2=\frac{4\times3}{2}=6\,\text{m/s}$. Garder la même vitesse néglige la variation de section, tandis qu’inverser le rapport donne une vitesse plus faible.

Explication

Le débit volumique vérifie $Q=S v$, donc $Q=0{,}5\times4=2\,\text{m}^3/\text{s}$. Diviser la vitesse par la section inverse la relation, et une valeur en kg/s désigne un débit massique.

Explication

Le théorème de Bernoulli exprime la conservation de l’énergie du fluide le long d’une ligne de courant. La conservation de la masse relève de l’équation de continuité, tandis que les deux autres choix attribuent à Bernoulli une portée ou une grandeur différente.

Explication

En mécanique des fluides, l’énergie interne est considérée comme négligeable. La traiter comme dominante ou de même importance contredit cette approximation, et l’assimiler à l’énergie de pesanteur confond deux formes d’énergie distinctes.

Explication

L’énergie mécanique est la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique : $mgz+\frac{1}{2}mv^2=2\times10\times3+\frac{1}{2}\times2\times4^2=76\,\text{J}$. $60\,\text{J}$ omet l’énergie cinétique, $16\,\text{J}$ omet l’énergie potentielle, et $68\,\text{J}$ résulte de l’emploi de la vitesse plutôt que de son carré.

Explication

Pour un fluide incompressible, l’énergie totale comprend les contributions cinétique, de pression et de pesanteur. L’énergie interne ne remplace pas l’énergie de pression, et l’énergie de pesanteur fait partie de la somme.

Explication

Pour un fluide parfait incompressible en écoulement permanent et dans un système isolé, la somme des charges géométrique, de pression et de vitesse reste constante le long d’une ligne de courant. La réponse sans terme de vitesse l’omet, celle qui emploie $v^2$ oublie le facteur $2g$, et l’égalité des seules hauteurs géométriques ne traduit pas la conservation de la charge totale.

Explication

Le terme $\frac{p}{\rho g}$ exprime la hauteur équivalente due à la pression. Le terme $\frac{v^2}{2g}$ correspond à la vitesse, $z$ à la hauteur géométrique, et la charge totale est la somme de ces trois contributions.

Explication

La viscosité caractérise la résistance qu’oppose un fluide réel à sa mise en mouvement, liée au frottement entre ses particules. La compressibilité concerne une variation de volume, l’inertie une résistance à l’accélération, et la pression est une grandeur distincte.

Explication

Dans un fluide réel, les frottements visqueux dissipent de l’énergie et entraînent une perte de charge le long de l’écoulement. La conservation de la charge correspond au cas idéal, tandis que l’ajout d’énergie ou la seule modification du débit ne décrit pas cet effet.

Explication

Pour un écoulement réel incompressible, la charge $H=z+\frac{p}{\rho g}+\frac{v^2}{2g}$ n’est pas constante, car les effets visqueux dissipent de l’énergie. La conservation de cette somme vaut pour le fluide parfait sous les hypothèses de Bernoulli, et la charge ne se réduit pas à son seul terme de pression.

Explication

Un écoulement laminaire se caractérise par le déplacement ordonné des particules en couches lisses et parallèles. Le mouvement chaotique désigne un écoulement turbulent, le nombre de Reynolds sert à caractériser le régime, et le repos signifie l’absence de déplacement.

Explication

Le nombre de Reynolds sert à déterminer si l’écoulement est laminaire ou turbulent. La pression et la charge hydraulique sont d’autres grandeurs, tandis que la masse volumique est une propriété du fluide.

Explication

Le nombre de Reynolds caractérise le rapport entre les forces d’inertie liées à la vitesse et les forces de frottement liées à la viscosité. Inverser ce rapport change la grandeur décrite, et considérer une seule force omet la comparaison entre les deux.

Explication

Comme $1\,600 \leq 2\,000$, l’écoulement est laminaire : la viscosité prédomine et le transfert de quantité de mouvement est lié à la diffusion. Le régime turbulent s’applique à partir de $4\,000$, la zone incertaine se situe entre les seuils, et l’inertie prédomine en régime turbulent.

Explication

Comme $5\,200 \geq 4\,000$, l’écoulement est turbulent : l’inertie prédomine et le transfert se fait par diffusion et surtout par convection. Le régime laminaire correspond aux faibles valeurs de Reynolds, la zone incertaine se situe entre $2\,000$ et $4\,000$, et la viscosité prédomine en régime laminaire.

Explication

En régime laminaire, le profil des vitesses est parabolique et les couches de fluide glissent les unes sur les autres sous l’effet dominant des frottements. Un profil assez plat et l’enchevêtrement caractérisent plutôt le régime turbulent.

Explication

En régime turbulent, l’enchevêtrement des couches tend à uniformiser la vitesse et produit un profil assez plat sur une grande partie de la section. Le profil parabolique correspond au régime laminaire, tandis que l’observation ne signifie pas que le profil soit parfaitement uniforme.

Explication

En régime laminaire, $\lambda=64/Re$, donc $\lambda=64/800=0{,}08$ et le coefficient est sans dimension. La valeur $12{,}5$ résulte de l’inversion du rapport, tandis que $800$ est le nombre de Reynolds lui-même.

Explication

Le coefficient $\lambda$ dépend du nombre de Reynolds et de la rugosité relative $\varepsilon/D$; ces deux grandeurs servent notamment d’entrées dans les abaques de Moody. La rugosité absolue seule ne remplace pas le rapport à diamètre égal.

Explication

Dans le domaine turbulent rugueux, $\lambda$ est indépendant du nombre de Reynolds mais dépend de la rugosité de la paroi. La dépendance à $Re$ caractérise le domaine laminaire, tandis que l’indépendance vis-à-vis de la rugosité est celle du domaine turbulent lisse.

Explication

La perte de charge régulière provient des frottements internes du fluide et de ceux exercés contre la paroi le long des parties droites. Un obstacle, une variation de section ou un coude correspond plutôt à une cause locale de perte singulière.

Explication

Une perte de charge singulière est provoquée par un obstacle ou une variation locale de géométrie qui modifie le vecteur-vitesse. Les frottements répartis le long des parties droites caractérisent la perte régulière, tandis que la perte totale est une somme.

Explication

Dans un circuit en série, la perte de charge totale est la somme des pertes linéaires et des pertes singulières. Ne compter qu’une catégorie ou retenir la plus grande néglige une partie des pertes du circuit.