Où part l'énergie en aéro/hydrodynamique?

[EspritTordu]

Bonjour,

Voici un lien sur l'aérodynamisme, la force de trainée en v^2, la puissance de trainée en v^3 :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Aerodynamique

Que cela soit de l'air ou de l'eau, la vitesse d'un objet dans un fluide dépend de sa forme faisant varier le coefficient appelé Cx.
Le fluide freine donc de manière non proportionnelle l'objet en mouvement. Où passe l'énergie de freinage (fournie par la quantité de mouvement de l'objet,non?), en pression (donc en chaleur), en mettant le fluide en mouvement?

Est-ce que l'ensemble, objet en mouvement (comme un fuseau par exemple) et fluide concerné par la pénétration de l'objet forme un système fermé?

Merci d'avance.
-----

[invite88ef51f0]

Salut,
L'énergie sert à mettre en mouvement le fluide, puis se diffuse à cause de la viscosité du fluide et devient de la chaleur.

[obi76]

=> http://www.pmmh.espci.fr/fr/Enseigne...turbulence.pdf
Regarde le chapitre 9.2.4.

En fait lors de la mise en turbulence d'un écoulement, il apparaît ce qu'on appelle les cascade de Kolmogorov (considère ça vite fait comme une fractale), ou les système les plus gros (les plus gros tourbillons en gros) cèdent leur énergie aux plus petits, et cela d'échelle en échelle jusqu'à ce que la viscosité dissipe cette énergie dans les plus petits systèmes.

[EspritTordu]

Je ne comprends pas très bien. Mon fuseau est un objet symétrique pénétrant dans un fluide et donc soumis à trois type de frottement : le frottement sec (de Newtow) due aux imperfections de surface, le frottement
visqueux du à la viscosité du fluide (fonction de la vitesse), et un dernier dues aux turbulences illustrées par les cascade de Kolmogorov du pdf (fonction de la vitesse au carré)?

Peut-on éviter les turbulences? Comme mon objet est symétrique, l'énergie perdue en amont n'est pas réinjectée en aval?

[A voir en vidéo sur Futura]

[EspritTordu]

Peut-on éviter ces mouvements de fluides?

[invite92276dd8]

Bonjour,

la perte d'energie la plus importante provient de la trainee.

Dans l'air et dans l'eau, la viscosite reste relativement peu importante, ce qui fait que les fluides restent froids apres le passage d'un bateau ou d'un avion.
En fait, le passage d'un objet dans le fluide (aile d'avion par exemple ou coque de navire) va lui donner une energie que l'on retrouve dans le mouvement des molecules.

On remarquera ainsi que la houle se deplace sur des centaines de kilometres, que le sillage des bateaux s'eloigne jusqu'a l'horizon et que le vent n'a de limite que le relief et les autres courants...


Des lors que ton objet n'a pas un volume nul, tu ne peux pas eviter ces deplacements de fluides.
Par contre, tu peux optimiser ton objet pour que les mouvements soient aussi faibles que possibles (creation de courants destructeurs...).

[EspritTordu]

Des lors que ton objet n'a pas un volume nul, tu ne peux pas eviter ces deplacements de fluides.
Par contre, tu peux optimiser ton objet pour que les mouvements soient aussi faibles que possibles (creation de courants destructeurs...).

Comme les bulbes d'entraves pour les navires, n'est-ce pas?

[invite92276dd8]

Hello,

On ne dit pas bulbe d'entrave, mais bulbe d'etrave

En fait, je pensais plus a un cournt d'air qui viendrait, par exemple, casser le vortex en bout d'aile...

Mais tu as raison, le bulbe d'etrave joue ce role.

L'etrave proprement dite, la partie de la coque fendant l'eau, cree une onde de type sinusoide qui court le long de la coque. Le principe du bulbe d'etrave est de creer une onde identique en opposition de phase. Les 2 vagues qui se rencontrent s'annulent et la trainee (?) du navire est diminuee.

[EspritTordu]

Etrave, c'est cela merci, l'entrave freinerait plutôt !

Les ondes sinusoïdales produites par l'étrave ont pour raison les vagues de la mer avant-tout, non? Sur un navire qui à une carène des plus hydrodynamique, d'ou viennent les frottements : le contact eau/acier?

Pour un objet en fuseau, la trainée est nulle, non? et pourtant les forces de frottement existent encore?

Sur une voiture de Monsieur toutlemonde, est-ce l'air qui freine le plus ou bien le contact au sol?

[invite92276dd8]

Les ondes sinusoïdales produites par l'étrave ont pour raison les vagues de la mer avant-tout, non?

Je ne crois pas, l'etrave cree une sinusoide de toute facon.

Sur un navire qui à une carène des plus hydrodynamique, d'ou viennent les frottements : le contact eau/acier?

Il y a aussi des frottements, d'autant plus qu'il y a des algues et des coquillages sur la coque.

Pour un objet en fuseau, la trainée est nulle, non? et pourtant les forces de frottement existent encore?

Les forces de frottement sseront toujours la, quoi que tu fasses. Cependant, tu peux toujours les reduire jusqu'a pouvoir les ignorer...
Qu'entends tu par fuseau ?

Sur une voiture de Monsieur toutlemonde, est-ce l'air qui freine le plus ou bien le contact au sol?

Je ne me suis jamais interesse de pres aux pertes energetiques d'une voiture, mais je sais les points suivants :
- la carosserie traine,
- plus les roues sont larges, plus les frottements sont importants. L'ideal, ca serait une roue metallique, super-fine... avec des super suspensions

[invitee6ea268a]

Bonjour,

Alors, je suis pas spécialiste mais voilà à quoi cela me fait penser:
1) Le bateau est freiné par lm'eau car celle-ci est visqueuse. La vitesse de l'eau est donc nulle sur la paroi du bateau -> frottements. En plus, derriere le bateau, c'est un peu le fouilli (vortex, etc.) ce qui entraine encore des frottements.

2) La trainee aero est de trois types: trainee de frottement, trainee de pression et trainee de culot. Les trois existent en même temps dans la majorité des cas mais si pour certaines aplications, on peut en annulé une. En effet, la trainee de pression est nulle pour des objets symetriques se deplaçant à incidence nulle.

3) Pour la voiture, je ne sais pas, mais je pense que cela doit dependre de la vitesse. En effet, frottement fluide entre l'air et la voiture-> les frottements sont proportionnels à la vitesse de deplacement (grosso modo). Frottements solides entre la route et les pneus-> frottements constants.
Ce raisonnement est simpliste mais à mon avis le resultat est bon: à basse vitesse, c'est la route qui frotte le plus, à haute vitesse, c'est l'air.

[EspritTordu]

Mon fuseau : une ellipsoïde , finissant avec des pointes au bout

J'ai du mal à me faire à l'idée que les frottements secs, c'est-à-dire l'eau sur le métal soit si important pour freiner le navire?
Avez-vous déjà entendu parlé de la supercavitation ou bien remplacer l'eau par l'air?
J'avais vu un documentaire (c'est bien loin) où des ingénieurs avaient fabriqué un film plastique où des micro-sillons(copiés sur la peau du requin) réduisaient les frottements suffisamment pour pouvoir réduire la consommation d'un avion de ligne revêtu du film sur toute sa surface, est-ce abandonné?

2) La trainee aero est de trois types: trainee de frottement, trainee de pression et trainee de culot. Les trois existent en même temps dans la majorité des cas mais si pour certaines aplications, on peut en annulé une. En effet, la trainee de pression est nulle pour des objets symetriques se deplaçant à incidence nulle.

Pouvez-vous développer les trois types s'il vous plaît?

Alors, je suis pas spécialiste mais voilà à quoi cela me fait penser:
1) Le bateau est freiné par lm'eau car celle-ci est visqueuse. La vitesse de l'eau est donc nulle sur la paroi du bateau -> frottements. En plus, derriere le bateau, c'est un peu le fouilli (vortex, etc.) ce qui entraine encore des frottements.

La vitesse de l'eau nulle sur la paroie? un film d'eau recouvre la carène alors? l'eau glisse sur le film d'eau?

Le vortex à l'arrière est produit par les hélices, n'est-ce pas? Donc les hélices fournissent du frottement tout autant que qu'elle propulse?

Jusqu'une question : que se passerait-t-il si un sous-marin conservant son volume habitable était perçé dans son long par un cylindre de manière que l'eau traverse le sous-marin du devant à l'arrière. une hélice (ou bien turbine) se trouve au milieu de l'engin et sert de propulsion. A-t-on alors un meilleur rendement de propulsion ou non?
Pouvez-vous développer les trois types s'il vous plaît?

[obi76]

Attend, on va reprendre point par point.

les frottements secs restent malgré tout importants dans l'eau, car la vitesse de l'eau en contact avec la paroi est DE TOUTES FACONS nulle (sauf cavitation mais on ne parle pas de l'hélice, et encore il faut qu'elle tourne bien vite). Ce gradient de vitesse vers la surface créé un cisaillement de l'eau, qui via la viscosité sera transformée en travail (ie en mouvement + chaleur).


pour l'avion de ligne, il ne faut SURTOUT pas faire ça (en tous cas pas sur les ailes).

Explication : si ton écoulement est similaire à un écoulement laminaire sure la surface de l'aile, l'énergie consommée par l'avion est moindre. MAIS (et c'est bien ça qui change tout) : une couche turbulente "colle" bien plus à une paroi qu'une couche laminaire, ce qui fait qu'un avion dont l'écoulement est turbulent sur l'aile a beaucoup moins de chances de décrocher qu'un avion avec couche laminaire. Une surface PARFAITEMENT lisse favoriserai plutôt un écoulement à un écoulement turbulent (Reynolds plus faible).

En fait on fait plutôt l'inverse : on met VOLONTAIREMENT des obstacles sur le bord d'attaques des ailes, justement pour favoriser le régime turbulent au régime laminaire. Ca consomme plus, mais ça tiens mieux ^^

Cordialement

EDIT : quand au vortex créé par une hélice, sa forme (de l'hélice) est judicieusement calculée pour que le pas en fonction de la distance à l'axe conserve sensiblement le même Reynolds pour éviter des transitions d'écoulement le long de celle-ci, et donc éviter la mise en turbulence et vortexicité globale de l'écoulement en aval à celle-ci.

[EspritTordu]

Si la vitesse est nulle sur la paroie, alors peu importe la matière de la paroie? La viscosité dont on parle est celle de l'eau sur l'eau?

[obi76]

La vitesse est effectivement nulle au contact de la paroi, quelque soit le fluide considéré (même 'air !) et quelque soit la paroi. Une plaque extrêmement lisse avec un écoulement d'air à 50m.s-1 aura quand même une vitesse nulle en son contact !

Pour la viscosité à considérer c'est effectivement la viscosité de l'eau (on parle ed viscosité dans le même fluide, si c'est entre une paroi et un fluide on parle de rugosité).

Cordialement

[EspritTordu]

Alors je ne comprends plus la supercavitation ou changer l'eau par de l'air. En effet, l'eau court toujours sur l'eau d'un côté ( et de l'autre sur l'air).

[EspritTordu]

L'énergie sert à mettre en mouvement le fluide, puis se diffuse à cause de la viscosité du fluide et devient de la chaleur

Si l'énergie est diffusée en chaleur à cause du freinage aérodynamique, cela signifie-t-il que la température de l'air influe sur l'énergie perdue? En clair, si on a un TGV qui roule dans le Sud où la température est élevée, on consomme plus pour lutter contre le frein aérodynamique que dans le haut Nord où les températures sont plus fraîches?

Est-ce qu'un système de refroidissement de la carrosserie de la tête du TGV, aurait une influence sur l'effort pour maintenir la vitesse du train? Il s'entend que le système permetterait (on est dans l'idéal) de réutiliser toute (!) l'énergie thermique soit en chauffage interne, soit en électricité réinjectée dans le moteur...

[invite0324077b]

il a été dit et je le confirme : aux vitesse ordinaire d'une voiture ou d'un TGV la viscosité de l'air n'est vraiment pas la principale cause de la trainée : le vehicule en passant bouscule l'air et envoie des tourbillon partout qui irons aussi loin qu'il faut pour perdre toute l'energie qu'il ont pris au vehicule qui est passé

par contre si le vehicule est tres fuselé : tres long et tres etroit la perturbation produite a l'air immobile devient de plus en plus faible donc on doit finir par arriver a un point ou il n'y a plus que la viscosité qui fait la trainé : le probleme c'est qu'un vehicule tres long et tres etroit n'a plus aucun volume utile

pour les bateau c'est bien ce que montre l'experience : pour les bateaux ordinaire ce n'est pas la viscosité de l'eau le principal : c'est les vague et les turbulences qui consomment le plus d'energie : mais pour un catamaran a coque tres fine il y a tellement peu de vague et de turbulence que la viscosité commence a prendre plus d'importance relative

sur la coque d'un bateau meme les coquillages ne consoment pas l'energie par frottement mais aussi en emetant des turbulences

[invite0324077b]

Est-ce qu'un système de refroidissement de la carrosserie de la tête du TGV, aurait une influence sur l'effort pour maintenir la vitesse du train? Il s'entend que le système permetterait (on est dans l'idéal) de réutiliser toute (!) l'énergie thermique soit en chauffage interne, soit en électricité réinjectée dans le moteur...

aucun interet car ce n'est pas la temperature de la tole qui compte mais de l'air

le tgv ou n'importe quel vehicule n'a aucun effet sur la temperature de l'air

ne pas confondre avec une capsule qui rentre dans l'atmosphere : il y a un certain nombre de zero de plus dans le chiffre de la vitesse

[EspritTordu]

D'après les messages précédents, la viscosité induit de mettre le fluide environnant la tête du tgv en micro-mouvements qui eux transforment l'énergie mécanique en énergie thermique. Aussi un système de refroidissement de la tôle refroidirait l'air au contact par diffusion, donc cela pomperait la chaleur de l'air produit par le frein aérodynamique, non?

La forme du TGV induit-elle encore vraiment beaucoup de trainée?

[invite6b1a864b]

Je ne comprends pas très bien. Mon fuseau est un objet symétrique pénétrant dans un fluide et donc soumis à trois type de frottement : le frottement sec (de Newtow) due aux imperfections de surface, le frottement
visqueux du à la viscosité du fluide (fonction de la vitesse), et un dernier dues aux turbulences illustrées par les cascade de Kolmogorov du pdf (fonction de la vitesse au carré)?

Peut-on éviter les turbulences? Comme mon objet est symétrique, l'énergie perdue en amont n'est pas réinjectée en aval?

si je peux me permettre de répondre pour une fois..
L'objet symétrique ou pas, à une vitesse, vitesse qui brise la symétrie dans sa direction : Le mouvement du fluide généré est donc naturellement un cône (qui n'est donc pas symétrique dans toutes les directions)..

[invite6b1a864b]

Je ne comprends pas très bien. Mon fuseau est un objet symétrique pénétrant dans un fluide et donc soumis à trois type de frottement : le frottement sec (de Newtow) due aux imperfections de surface, le frottement
visqueux du à la viscosité du fluide (fonction de la vitesse), et un dernier dues aux turbulences illustrées par les cascade de Kolmogorov du pdf (fonction de la vitesse au carré)?

Peut-on éviter les turbulences? Comme mon objet est symétrique, l'énergie perdue en amont n'est pas réinjectée en aval?

Quand au turbulence.. l'écoulement d'un fluide produit spontanément des turbulences à partir d'une certaine vitesse me semble t'il : c'est l'effet de la granulosité du fluide qui reste composé de molécule agité de perpétuels choques internes..

[EspritTordu]

Oui c'est juste, sauf, si je ne me trompe, que l'on a deux cônes avec un fuseau, un devant, un derrière, d'où un objet plus symétrique
Maintenant, en raison de la vitesse de déplacement, les cônes ne doivent pas être identiques d'où la brisure de la symétrie. Le cône avant doit être plus évasé que celui où le fluide s'échappe, c'est mon intuition(et encore avec le fuseau j'en doute un peu, il faut peut-être considérer la viscosité aussi comme cause,hummm)...

[invite6b1a864b]

Oui c'est juste, sauf, si je ne me trompe, que l'on a deux cônes avec un fuseau, un devant, un derrière, d'où un objet plus symétrique
Maintenant, en raison de la vitesse de déplacement, les cônes ne doivent pas être identiques d'où la brisure de la symétrie. Le cône avant doit être plus évasé que celui où le fluide s'échappe, c'est mon intuition(et encore avec le fuseau j'en doute un peu, il faut peut-être considérer la viscosité aussi comme cause,hummm)...

En fait voilà comment ça se présente.
La dissipation d'énergie dans un fluide s'organise spontanément en état de frottement minimale des parties de fluide.
Donc, en l'absence de turbulence, le fluide s'organise en prenant la forme la plus hydrodynamique possible : un cone devant et un cone derrière, sous la forme d'un ballon de rugby pointu (la forme en goute correspond à un liquide dans un gaz je crois). on peut voir ça en s'imaginant un tas de liquide devant l'objet qui pousse le liquide en mouvement sur les cotés.
En cas de turbulence (quand l'organisation hydrodynamique du liquide ne suffit plus à éliminer l'énergie), le fluide se comporte comme des faisceaux qui acquièrent des mouvements relatifs. L'énergie relative se dissipe spontanément, toujours selon le principe du moindre frottement, selon des vortex fractales. Il s'agit de tourbillon cerné de tourbillon (eux même cerné de petit tourbillon) en sens inverse et qui donne donc spontanément aux tout la forme de... roulement à bille (= moindre frottement). (bien sur en 3D et si l'objet et symétrique, cela forme des anneaux, dont les ronds de fumé et les champignons nucléaires sont un bonne exemple). Quand un objet se déplace dans un liquide, l'énergie apporté à un endroit du liquide est fini : les tourbillons sont comme des tornades avortés bati les uns sur les bords des autres, puisque la structure dissipe vite l'énergie locale (l'aspect fractale apparait peu).
Voilà pourquoi la turbulence prend cette forme si particulière..

en tout c'est ce que je pense !

[invite6b1a864b]

Oui c'est juste, sauf, si je ne me trompe, que l'on a deux cônes avec un fuseau, un devant, un derrière, d'où un objet plus symétrique
Maintenant, en raison de la vitesse de déplacement, les cônes ne doivent pas être identiques d'où la brisure de la symétrie. Le cône avant doit être plus évasé que celui où le fluide s'échappe, c'est mon intuition(et encore avec le fuseau j'en doute un peu, il faut peut-être considérer la viscosité aussi comme cause,hummm)...

Sinon si A = B alors B = A. par définition..

[EspritTordu]

Sinon si A = B alors B = A. par définition..

Vous appréciez les mathématiques!

Vous pensez aussi que mon système de refroidissement de l'air est inutile pur diminuer l'énergie perdue dûe au frein aérodynamique?

[invite0324077b]

il a deja eté dit que la plus grosse part de l'energie n'etais pas perdue au contact du vehicule mais dans les multiple tourbillon qui vont dans tout les sens : pour recuperer l'energie c'est les km cube d'air que le vehicule a bousculé qui se sont echauffé d'une temperature negligable ...

par contre cela me donne une idée d'un vehicule qui ne ferait absolument pas de tourbillon : les coté parfaitement cylindrique : section constante de l'avant a l'arriere : un gros entonoir a l'avant avec une grosse turbine qui aspire exactement le debit d'air qu'il faut pour que le vehicule ne bouscule rien en avancant : un tuyaux emmene cet air jusqu'a l'arriere et un espece de diffuseur repartit le debit sur la face arriere de l'engin

je ne crois pas que ca puisse avoir d'application pratique , mais on ne sait jamais

[EspritTordu]

Dans ce cas là, la chaleur chauffe l'intérieur de l'engin et se perd derrière (ce qui constitue aussi un frein aérodynamique finalement non?)!

pour recuperer l'energie c'est les km cube d'air que le vehicule a bousculé qui se sont echauffé d'une temperature negligable

Mais si on intervient avant que le phénomène ne s'étende, juste sur le bec du tgv (car les tourbillons prennent bien naissance ici)?

[invite0324077b]

justement quand tout le debit d'air passe a l'interieur de l'engin la puissance perdue n'est pas dispercé : l'air echauffé par la perte d'energie va se dilater et le debit sortant sera superieur au debit entrant : cela va faire une poussé comme un reacteur

je ne me fait pas d'illusion la puissance perdue pour pomper l'air a une vitesse largement superieur a la vitesse de l'engin sera superieur a la puissance de propulsion habituelle , mais ca meriterai un calcul par curiosité

j'ai deja vu ce raisonement pour un carenage de radiateur de moteur d'avion : l'air entre dans le radiateur se fait chauffer et ressort en ayant augmenté de volume : le radiateur bien etudié fait une poussé et non une trainé !