X ENS Physique PSI 2006Sujet et corrigé
- Écoulements parfaits, potentiel des vitesses et équation d'Euler
- Ondes de gravité et relation de dispersion
- Instabilités hydrodynamiques (Kelvin-Helmholtz)
- Nombre de Froude et régimes d'écoulement à surface libre
- Écoulements compressibles, nombre de Mach
- Bilans de quantité de mouvement
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Présentation du sujet
Ondes de gravité et ressaut hydraulique en mécanique des fluidesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie la propagation des vagues à la surface de l'eau, leur genèse sous l'effet du vent par instabilité de Kelvin-Helmholtz, puis le phénomène de ressaut hydraulique, observé par exemple au fond d'un évier, en le reliant à la vitesse de propagation des ondes de gravité établie en première partie. Une analogie est aussi tracée avec l'écoulement compressible d'un gaz dans une tuyère convergente-divergente.
- 1I.1 Propagation des ondes de gravitéÉtablissement de l'équation régissant le potentiel des vitesses d'un écoulement parfait incompressible et irrotationnel, puis de la relation de dispersion des vagues à la surface de l'eau.
- 2I.2 Genèse des vagues : instabilité de Kelvin-HelmholtzÉtude de la stabilité de l'interface entre deux fluides superposés en écoulement pour expliquer la formation des vagues sous l'action du vent.
- 3II.1 Écoulement au-dessus d'un obstacleÉtude d'un écoulement à surface libre au-dessus d'un obstacle et introduction du nombre de Froude pour caractériser les deux régimes d'écoulement observés.
- 4II.2 Tuyère convergente-divergenteAnalogie entre le ressaut hydraulique et l'écoulement compressible d'un gaz parfait dans une tuyère, avec introduction du nombre de Mach.
- 5II.3 Ressaut hydraulique dans un évierModélisation du ressaut hydraulique par un bilan de quantité de mouvement reliant les hauteurs et vitesses d'eau en amont et en aval.
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SCIENCES PHYSIQUES
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Autour des ondes de gravité
par l'énoncé pourra être utilisé même s'il n'a pas été démontré. Une grande importance sera accordée aux ordres de grandeur demandés.
- constante des gaz parfaits :
R = 8, 3 J.K^(− 1).mol^(− 1) - le noyau de l'atome d'azote comporte 7 protons et 7 neutrons
- en coordonnées cartésiennes, les différents opérateurs s'expriment sous la forme suivante, où
f(M, t) est un champ scalaire etA⃗(M, t) un champ vectoriel : - gradient :
grad^(→−)f = (∂f)/(∂x)u⃗_x + (∂f)/(∂y)u⃗_y + (∂f)/(∂z)u⃗_z - divergence :
divA⃗ = (∂A_x)/(∂x) + (∂A_y)/(∂y) + (∂A_z)/(∂z) - rotationnel :
rot^(→−)A⃗ = ((∂A_z)/(∂y) − (∂A_y)/(∂z))u⃗_x + ((∂A_x)/(∂z) − (∂A_z)/(∂x))u⃗_y + ((∂A_y)/(∂x) − (∂A_x)/(∂y))u⃗_z - laplacien :
Δf = divgradˆf
− div(fA⃗) = fdivA⃗ + grad^(→−)f ⋅ A⃗
− rot^(→−)(fA⃗) = frot^(→−)A⃗ + grad^(→−)f ∧ A⃗ - la dérivée particulaire d'une grandeur scalaire
X(M, t) est :
Préambule
- Dans la suite du problème, les paramètres physiques d'importance sont notamment l'accélération de la pesanteur à la surface de la Terre
g , les masses volumiques de l'eauρ_(eau) et de l'airρ_(air) à température et pression usuelles. Proposer des valeurs numériques pour ces trois quantités.
I Ondes de gravité dans un fluide (vagues)
I. 1 Propagation
- Rappeler la définition d'un écoulement parfait. Quelle est la différence par rapport à un écoulement visqueux en ce qui concerne les conditions aux limites? Dans quelle zone le modèle de l'écoulement parfait peut-il être convenable pour décrire des écoulements réels?
- L'écoulement est supposé incompressible. Définir un tel écoulement du point de vue de la masse volumique. Quelle est la conséquence pour le champ des vitesses? Pouvez-vous citer dans d'autres domaines de la physique deux champs vectoriels présentant cette propriété?

- On choisit d'étudier les solutions potentielles, c'est-à-dire telles que le champ des vitesses s'écrive
v⃗(M, t) = gradφ(M, t) . Montrer que le champ des vitesses est irrotationnel. Le choix deφ est-il unique? Comment peut-on modifier le potentiel de manière la plus générale tout en conservant le même champ des vitesses ? - Quelle est l'équation aux dérivées partielles imposée à
φ par les hypothèses précédentes? Avez-vous déjà rencontré cette équation dans d'autres situations physiques? Donner deux exemples. - Pour
− h ≤ z ≤ δ , on cherche une solution de la formeφ(x, z, t) = sin(kx − ωt)f(z) , oùf est une fonction à déterminer. Commenter précisément ce choix en termes ondulatoires : cette onde se propage-t-elle, est-elle plane? Comment se nomment les constantesk etω ? Exprimer la longueur d'ondeλ . Montrer quef(z) = φ_0[exp(kz) + Aexp(− kz)] , oùA etφ_0 sont des constantes. Que représentek vis-à-vis de la description du phénomène selonx et selonz ? - À l'aide d'une condition aux limites, exprimer
A . - On rappelle l'équation d'Euler qui régit le champ de vitesse
v⃗(M, t) d'un écoulement parfait de masse volumiqueρ :
Séparer en deux groupements les termes apparaissant dans l'expression cinématique de la dérivée particulaire de la vitesse et les commenter. À ce propos, on donnera deux exemples d'écoulements pour lesquels exactement l'un des deux groupes est nul.
8. Une approximation courante consiste à supposer que l'amplitude
9. Donner l'ordre de grandeur typique de la vitesse des particules de fluide en fonction de
10. On suppose que l'eau est incompressible. Montrer, vu les hypothèses utilisées, que l'équation d'Euler implique :
11. Relier la composante de la vitesse selon
12. En utilisant notamment les relations (1) et (2), et le fait que la pression soit continue à l'interface eau-atmosphère, conclure de l'étude précédente que la relation de dispersion des ondes est :
- Que devient cette relation en eau peu profonde? On précisera par ailleurs cette notion. Calculer au premier ordre les vitesses de phase
v_φ = v_(surface) et de groupev_g en eau peu profonde. - Rappeler en moins de cinq lignes ce qu'est la dispersion. A-t-on ici un phénomène dispersif, en général et en eau peu profonde? Proposer des ordres de grandeur raisonnables, et en déduire l'ordre de grandeur de la vitesse de propagation des vagues à proximité du rivage.
- Si le fond de l'océan n'est pas horizontal, la profondeur de l'eau au repos
h n'est pas constante mais varie sur une distance typiqued dans la direction de propagation des vagues, indiquer qualitativement à quelle condition l'étude précédente reste valable en remplaçanth parh(x) . - Expliquer qualitativement le déferlement des vagues observé sur le rivage.
I. 2 Genèse des vagues : instabilité de Kelvin-Helmholtz
17. On étudie un écoulement comprenant deux fluides superposés (voir la figure 2 sur laquelle les vitesses ont été supposées uniformes). Contrairement à ce qui a été réalisé dans la partie I.1, le fluide du dessus doit être décrit avec le même niveau de précision que le fluide du dessous. Par exemple, les vitesses dans chaque fluide loin de l'interface sont notées
18. On recherche l'évolution d'une solution des équations de la mécanique des fluides voisine d'un écoulement uniforme. On note, comme précédemment,

19. Les équations linéarisées de la mécanique des fluides (dans le cadre d'approximations semblables à celles de la partie I.1) impliquent
On suppose que la perturbation est initialement spatialement périodique et possède une certaine longueur d'onde
20. Pourquoi parle-t-on d'instabilité ? Citer un autre domaine de la physique où la notion de stabilité/instabilité intervient.
21. Si on prend en compte la différence de masse volumique des deux fluides, la condition d'instabilité est
II Ressaut hydraulique
II. 1 Écoulement au-dessus d'un obstacle

Nous allons plus précisément étudier quelle grandeur permet de déterminer le type d'écoulement. On pourra s'aider des allures données sur la figure 3 pour répondre aux questions qui suivent.
22. Montrer que le débit volumique associé à l'écoulement ne dépend ni du temps ni de l'abscisse à laquelle il est évalué.
23. Redémontrer la relation de Bernoulli juste à la surface du fluide en mouvement en supposant son incompressibilité. On précisera clairement les hypothèses nécessaires et on notera
On admettra que cette relation reste vérifiée malgré la présence des remous qui est incompatible avec certaines des hypothèses.
24. Établir la relation
- De quelles manières peut-on réaliser un nombre sans dimension avec les grandeurs caractéristiques de l'écoulement :
h, v, g etρ ? - On définit le nombre de Froude
Fr(x) = (v(x))/(√(gh(x))) , dont la valeur varie le long de l'écoulement. On suppose qu'avant l'obstacleFr = v/(√(gh)) < 1 .
On s'intéresse au pointx_0 où l'obstacle est de hauteur maximale. Montrer que pour vérifier l'équation (3), on a deux possibilités:(dv)/(dx)(x_0) = 0 (cas i)), ough(x_0) = v^2(x_0) (cas ii)). - Dans le cas i), montrer alors que
(dh)/(dx)(x_0) = 0 . L'écoulement présente-t-il le profil (a) ou
(b) de la figure 3 ? A-t-on un maximum ou un minimum de vitesse enx_0 ? Que dire du nombre de Froude sur toute la longueur de l'obstacle? - Dans le cas ii), que vaut le nombre de Froude en
x_0 ? Montrer que(dv)/(dx) ne change pas de signe dans la zone au-dessus de l'obstacle aprèsx_0 . Préciser ce signe. Donner finalement les signes des différents membres (c'est-à-direv^′(x), − gh(x) + v^2(x) ete_0^′(x) ) de l'équation (3) au niveau de l'obstacle, en séparant les cas avant et aprèsx_0 . - Pour chacun des écoulements (a) et (b), situer le nombre de Froude par rapport à 1 en fonction de
x dans la zone au-dessus de l'obstacle. Que peut-on conclure? - Donner le sens physique de la grandeur
B = (v^2)/2 + gh . D'après l'étude précédente, a-t-on unicité de la hauteur de fluideh et de la vitessev en dehors de l'obstacle à débit volumique et àB fixés ? Montrer qu'il existe en général deux solutions en étudiant l'expression du débit volumique en fonction deB, h etg . - On se propose de montrer que l'une de ces deux solutions correspond à un nombre de Froude inférieur à 1, et l'autre à un nombre de Froude supérieur à 1. En d'autres termes, à l'aide d'un obstacle adapté, il est a priori toujours possible d'observer un ressaut hydraulique. Établir la relation :
Pour établir cette relation, on pourra écrire des lois de conservation entre les couples de solutions (
II. 2 Tuyère convergente-divergente

32. Expliquer en quoi le modèle de l'écoulement parfait implique ici des transformations adiabatiques réversibles du gaz. On note
33. En appliquant le premier principe à un système qu'on précisera, démontrer avec soin que
34. Relier
35. Établir une relation entre
36. Quelle serait la relation entre notamment
37. Pour des écoulements dans l'air, on définit le nombre de Mach
38. Montrer qu'au col de la tuyère, soit la vitesse
39. Quel type de phénomène survient-il si, lors d'un écoulement, il arrive que
40. Faire le bilan des analogies et différences entre le ressaut hydraulique étudié dans la partie II. 1 et l'écoulement dans la tuyère convergente-divergente.
II. 3 Ressaut hydraulique dans un évier

dans une zone avec des remous (figure 6). La situation est supposée invariante par translation selon la direction normale au plan de la figure 6. En amont (aval) du ressaut, la vitesse supposée uniforme est notée

- L'écoulement est supposé parfait et le fluide incompressible dans le reste de l'énoncé. Au niveau des sections
[A, B] et[A^′, B^′] (voir la figure 6), l'écoulement est quasi uniforme. Montrer que sur ces verticales, la pression varie selon la loi de l'hydrostatique. Tracer l'allure de la courbeP(z) . - Par un bilan de quantité de mouvement sur le système délimité par le trait noir en figure 6, établir une relation entre
v_1, h_1, v_2, h_2 etg . L'air est supposé immobile, et de pression uniformeP_0 . - En déduire l'expression des vitesses
v_1 etv_2 en fonction deg, h_1 eth_2 . - Vérifier que
h_1 < h_2 impliquev_1 > v_2 . Que valent les nombres de Froude (cf. question 26) en amont et en aval en fonction deh_1 eth_2 ? Les situer par rapport à 1 . - Donner les ordres de grandeur de
v_1 eth_1 en amont pour le ressaut hydraulique familier qu'on observe dans les éviers. Vérifier que le nombre de Froude est bien dans la zone déterminée à la question précédente. - Dans quelles conditions et dans quelle zone de l'écoulement le schéma de la figure 6 peut-il s'appliquer à l'écoulement en présence d'un obstacle étudié dans la partie II.1?
- Exprimer
(h_2)/(h_1) en fonction du nombre de Froude en amont :Fr_1 = (v_1)/(√(gh_1)) . Estimer (grossièrement) sa valeur. Commenter le résultat. - L'étude précédente s'applique-t-elle au ressaut hydraulique apparaissant dans un évier? De manière générale, quelle contrainte entre les différents paramètres du problème permet-elle de se ramener à un problème unidimensionnel? On pourra fournir un ordre de grandeur pour le ressaut hydraulique dans un évier.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique X-ENS PSI 2006 (ondes de gravité) ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique X-ENS PSI 2006 (ondes de gravité) ?
Il porte sur la mécanique des fluides parfaits, les ondes de gravité et leur relation de dispersion, les instabilités hydrodynamiques, le nombre de Froude et par analogie les écoulements compressibles caractérisés par le nombre de Mach.
Les parties du sujet X-ENS physique PSI 2006 sont-elles indépendantes ?
L'énoncé précise que les différentes parties sont très largement indépendantes entre elles, même si la partie II réutilise la relation de dispersion des ondes de gravité en eau peu profonde établie en partie I.
Quels résultats de cours faut-il connaître pour traiter ce sujet ?
Il faut maîtriser l'équation d'Euler et la notion d'écoulement potentiel incompressible, la relation de Bernoulli, ainsi que les bilans de masse et de quantité de mouvement en mécanique des fluides.
Ce sujet établit-il un lien entre écoulements incompressibles et compressibles ?
Oui, la partie II.2 établit une analogie explicite entre le ressaut hydraulique en écoulement incompressible à surface libre et l'écoulement compressible d'un gaz dans une tuyère convergente-divergente, en comparant le nombre de Froude au nombre de Mach.
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