2010 physique 1

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  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    1/8

    .

    ROYAUME U

    ManoC

    Ministre

    de

    l'ducation

    Nationale, de l'Enseignement

    Suprieur,

    de

    la Formafion

    des

    Cadres

    et

    de

    la Recherche

    Scientifique

    Frsidence

    du Concours National

    Commun

    Ecole Suprieure des lrdustries du

    Textile

    et de l'Habillement

    ESITH

    Concours National Commun

    d'admission

    aux

    Grandes

    coles

    d'Ingnieurs

    ou

    assimiles

    Session

    010

    EpnsuvrDEPHysreuE

    FilirePSI

    Dure 4

    heures

    Cette preuve conrporte

    7 pages

    au

    forrnat

    A4,

    en

    plus

    de cette page de garde

    Uusage

    de la calculatrice

    estautoris

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    2/8

    Concours

    National

    Commun-Session

    2010

    Filire

    PSI

    Linoncde

    cette

    preuve

    comporte

    7

    pages.

    L'usage e

    a

    calculakice

    est autoris.

    On oeillsa

    une

    ywation

    claire

    t soignccs

    copies.

    1

    conoient

    t

    partiaiin

    dc

    rappelr

    ac

    prcision

    r

    rfrences

    tes

    ytions

    M&r.

    tude de la conversionde l'nergie olierure

    Dans le

    cadle

    du

    dveloppement

    durable, on s'intresse

    la

    cratton

    de petites

    units de

    production

    lectrique

    partir

    d'neqgies

    enouvelables.On

    se propose

    ci

    d'tudier

    qrrelques

    dispositi

    d'une

    olienne

    de

    petite ou moyerurepuissance,

    destine alimenter

    des

    sites sols"

    I

    problme

    est

    composde trois

    parties.

    Dans es

    applicationsnumriques,

    qui ne

    doivent

    pas tre

    ngliges, ne atentionparticulire

    sera

    prte

    au nombre

    de driffles

    utiliser pour

    affidrer

    les rsultats.

    Ce

    nombre, qui dpend

    en

    gerral

    du

    niveau

    de

    prcision redrerch,

    ne doit en aucun

    cas

    dpasser

    e nomble

    de cliftes

    significatifs pernris par l dcrnes. La valeur nunrique de toute grandeur physiqge doit tre

    de

    son

    unit

    dans

    e systme

    ntemational des

    units

    (SI).

    Si,

    au

    cmrs

    dc

    'Qtanoe,

    an

    canilidat

    @e

    ce

    quilui tnble treut reur

    d'htonc,

    l Ic

    signale

    ur

    fi

    opie et

    pursuit

    sa

    composition iniliqwnt

    l

    raisns d nitiatiu

    qu'il

    est

    amen

    prmdre.

    1*

    partie

    Transfert de puissance

    de

    I'air

    l'olimne

    On

    s'intnesse ans cette

    partie

    au modle

    d'coulementaxial de

    l'air autour de

    l'hlice d'une

    olienne, itueenz :0 (voir figure 1), * faisant eshypothses uivantes

    r

    Uair estconsidr

    omme lq]uge

    parftt,

    hgloggg

    et

    ingrygb

    de

    masse

    olumique

    p,

    en coulernent

    ansun

    rfrerrtiel

    R, i au sol et sup'pos alilen.

    o

    On

    suppose

    'couleurent

    de

    I'air

    sfafionnaireet @

    autour de

    axe

    de

    rctation

    de

    'hlice.

    a vitesse

    est

    suppose

    niforcre

    sur une sectiondroite du tube de courant.

    r

    [a pressiongarde

    a

    mnre aleur

    $rr

    une secion

    roite

    du

    tube

    de

    courant,

    A grande

    distance

    de

    hlice, la pression

    est

    unifonne et gale

    la pression

    afinosphrique oJpps.

    r

    [.es

    sections 9t

    et Sa du tube de

    courantau

    niveau

    de

    hlice

    sont gales 5

    (,S,1

    SB

    =

    SJ.

    On notepa a pression ur,9aetps sur .9s.

    r

    l'coulemerrt

    tarrt

    urbulent au

    niveau

    de

    rlice, on admet

    pour simplifier

    que a

    vitesse?

    de 'air

    est

    a mme

    entre

    ^9a

    t Sa.

    1.1. tude

    prliminaire

    de l'coulemeot

    -

    1.1.1. Dfinir le

    dbit et le

    dbit

    volurnique d'un

    fluide

    traversune

    strface

    E.

    1.1.2. Rappelet u loi

    de

    csnservation e

    a masse oussa orrre locateet sous

    sa

    orrre

    intgrale

    $)

    dans

    m volume

    y

    limit par

    une surfaceE.

    pteuvede

    Physique

    t/7 ToumezapageS.V.P.

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    3/8

    Concours National

    Comnun

    -

    Session2010

    -

    Filire PSI

    Sn

    Sa

    Fz

    I

    I

    oi

    Figure

    1: coulement

    a:

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    4/8

    Concours

    National

    Commun

    -

    Session

    010

    Filire

    PSI

    1.3. tude

    de

    La

    pulssance

    reue

    par

    I'hlice

    :

    loi de

    Bsrz

    la production d'neqgie e

    ait

    au

    prjudice

    de l'nergiecintiquedu

    vent : lors

    de son passage

    travers trlice nne fraction de

    l'nergie

    cintique de

    air

    est transfre

    l?rlicequi

    se met

    en

    rotation.

    La vitesse rt

    est

    donc

    ncessaiment

    nfrieure

    ur.

    On notera

    P

    la puissance eue

    par

    l'hlice.

    1.3.1. crire ebilan de 'nergiecintiquepour le fluide comprisentre es sectionsSr et 52.

    1.3.2.

    En dduirc l'oresslon

    de

    a puissance

    mcaniqpe

    P

    c&&par

    l'air

    'lrlice

    en

    fonc{ion

    de

    p,

    S,a,a1ta2.

    1.3.3.

    On

    pose:

    o

    :

    . Monter

    que

    a

    puissance

    P

    reuepar lhlice

    s'crit sous a forme

    :

    p=Ps: l(r+)(1-r?)

    1.3.4.

    Pour

    une

    vitesse ur

    dorure

    du verrt en asront de lolienne, la vitesse

    en

    aval u2

    ne pouvant

    pas

    s'annuler; il existe

    une puissancemaximale

    Frr*

    I

    l'on

    peut extraile

    de la

    circutationd'air (Loi de Berz).

    1.3.4.1. Pour

    quelle valeur

    a* de

    c la puissance

    P

    est+lle

    maximale.

    Donner l'expression

    de

    la

    puissancemaximte

    P^o"

    (dite

    limite

    deBntzl en

    fonction

    des

    grandeurs

    r,

    ,9 et

    u1.Tracer

    l'allure

    deP(a).

    1.3.4.2. Pour

    s

    :

    8m, dtensrineres

    expressi,onse tD et

    u en

    fonction

    de u1,et

    l'expression

    de

    a

    force F exerce

    ar l'air sur lhlice

    en forrction

    de

    p,

    .9

    et

    u1.

    1.3.5. I rendement

    de

    l'olienne

    est

    dfini

    comme

    e rapport

    de

    la puissance

    P

    foumie

    par

    fair

    l'hlice

    au dbit

    de

    'nergie

    cintiqueen

    amont de

    'olienne.

    1.3.5.1. Catculere dbitde 'nergiecintiqpe" Faversune sectiondloite de surface 9o

    la

    vitesse

    est ur.

    13.5.e En

    ddtrite

    e rendemerrt

    horique

    de

    'olimne

    166

    n

    fonction

    de

    c.

    1.3.6.

    Applicatlon umrique

    F

    :

    Lr

    kg.m-

    )

    r)L

    LZ

    m-s'L; .9 3rL4m2.Calorler

    P^o,

    et

    le rendement

    associ

    6.

    1.3.7. Dans

    a pratique,

    e rendement

    horique

    maximal pour

    une olierrne

    dale

    n'est

    amais

    atis

    cause

    des

    effets

    suivants

    r

    La force

    de trainen'estianais

    nulle

    causie es rottenents.

    r

    [,1rlice

    ontient

    un norrbre fini

    depales.

    I rerrdement

    st alors

    plus

    faible

    et

    la

    puissance

    eut s'crire

    1_

    Preet : lCopSai

    o

    Co

    est

    e

    coefcient e perforrrance.

    n

    dpndde

    Ia gomtrie,

    de 'indinaison

    des

    paleset

    de

    a

    vitesse

    du vent

    1.3.7.1.

    Montner

    qw

    Ceadmet

    une valeur mdmale

    causede

    a loi

    de Brrz.

    preuvede

    Physique

    3/7

    Toumez

    apageS.V.P.

    u

    U1

    (2)

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    5/8

    Concours National

    Commun

    -

    Session2010

    -

    Filire

    PSI

    l-3.7 2.

    Calculer

    numriquement Co pour

    une

    puissance

    relle

    Preet

    =

    900 I,y

    en

    utilisant

    les

    donnes numriques

    de

    Ia

    question

    L.3.6.

    2h"

    partie

    Modle de

    l'lment

    de

    pale

    Dans le modle de l'coulement axial trait dans la partie prcderrte, on a suppos que

    l'coulement

    ne

    subit

    aucun

    mouvement de rotation, mais en

    ralit

    l"

    loi

    d"

    ation

    du

    impose que l'air

    doit avoir

    un

    mouvement

    rotatif

    afin

    qge ltrlice

    (rotor)

    puisse

    extrafue un couple utile.

    Dans

    ce cas

    e

    sens

    de

    rotation

    de

    l'coulement de l'air

    est

    oppos celui

    du

    rotor.

    Dans le modle

    de

    l'lment

    de

    pale, on introduit le mouvement

    de

    rotation

    de l'air autour

    de

    I'axe

    Oz.

    Dans l'laboration

    de

    ce

    rnodle,les

    suppositions

    suivantes sont envisages

    o

    Ucoulement

    en

    amont loin

    du

    plan

    du

    rotor,

    est

    compltement Ddal.

    o

    Au niveau

    du

    plan du rotor,

    la

    vitesse

    angulai de mtation

    de

    l'air estu

    ,

    cette vitesse diminue

    considrablement loin

    d'u rotor, en aval,

    de telle manire

    que la pression statique cet endroit

    peut tre considre gale la pression atmosphriguepo.

    r

    Licoulement

    de

    l'air

    autour

    d'un

    lment de la pale

    est

    considr corme bidimensionnel.

    Is

    expressions

    de

    Ia puissance

    extraite et du couple appliqu sur les

    pales,

    peuvent fre

    obtenues en considrarrt l'coulement

    de

    l'air

    travers un

    lment

    annulaire

    du

    tube de courant

    de

    rayon

    r,

    d'paisseur

    dr

    et

    de section dS

    :

    hrrdr

    (figure

    1). Is rayons du

    tube de courant

    correspondant sont nots

    11 au

    niveau

    de

    la

    section

    St

    et

    rz

    au niveau

    de

    ^92.

    On

    note O

    la vitesse angulaire

    de

    rotation

    de ltrlice autour de l'axe Oz et

    on

    suppose que

    la

    vitesse axiale u

    de

    l'air

    au

    niveau

    de

    lhlice

    soit

    uniforrre.

    2.L.

    tude

    de

    la rotation

    de

    I'air

    2.1.1.

    Ia

    variation de la quantit de

    mouvement de l'air dans la

    direction

    tangentielle, dorure

    lia

    orce

    tangentielle

    exerce

    par l'air

    strr

    lia

    pale.

    Cette

    for,ce

    s'crit sous

    ia orme :

    dFl:

    dm-u6

    dm

    estledbit massique

    travers l,asurface

    d etvtlia vitesse orthoradiale

    de

    l'coulement

    de

    l'air.

    2.1.1.1.

    crire

    'e4pressionu; n fonction

    deu etr. En dduire l'expression

    de dfiten

    foncfion

    de

    p,

    a, u, r

    et dS.

    2.1.1.2.

    ir.rbe

    'expression

    du

    moment

    dQ de Ia force dFt p rapport

    l'

    axeOz.

    2.1.1.3. crire

    l'e4pression

    de

    la

    puissance

    tP

    erxfratte

    havers la

    section dS fonction de

    dQ et O. En dduire son expression en fonction de p, a, w, dl,r et dr.

    2.1.t.1.

    Montrrer que la puissance

    tohle

    P

    extraite par l'hlice

    et

    le couple

    I

    gu'elle

    subit sont

    donns par les

    erpressions suivantes :

    Q:2trp

    [*

    or* 'd,

    JO

    tR

    :?rrutt

    Jo

    uwrd,,

    Pour pouvoir

    calculer la

    puissance

    et

    le

    couple

    (P

    etQ),il

    faut

    dtenniner ar.

    (3)

    (4)

    preuve

    de Ptrysique

    4/7

    -+

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    6/8

    Concours

    National

    Commun Session

    010

    Filire

    PSI

    2.1.2.

    On

    pose

    ,

    ,

    :

    atdl;a'

    est

    appel

    acteur

    d'interfrence angentiel.

    u

    et a'

    dpendent

    r

    ptorider.

    ;'

    2.1.2.1. crire les expnessions es dbits

    de

    moment

    cintique, par rapport

    l'oce

    Oz,

    trvers es

    sections

    annuliairesdu fube de courant situes

    au

    niveau

    de

    ^9r

    et'5,1

    de

    la figure

    1,

    de

    rayons

    espectifs11

    tr, et

    d'paisseurdr. On

    notera

    wt

    tu7-

    es

    vitesses

    ngulairesde

    rotation

    deair auniveaudecessectionsamul,aires.

    2;1.2.2.

    sire le

    bilan

    de

    moment

    cintique,

    en

    projection

    sur

    'axe

    Oa,

    pour

    le

    fluide

    compris

    entre es sections nnulairessitues

    au niveau

    de ,5ret ,91.

    2.1.2.3. En

    ddui

    ura.Monfirer,

    en

    ufilisarrt

    es

    hlpothses

    du

    modle

    que a

    vitesse

    angu-

    laire

    de l'coulenrentde

    'air

    strbit

    une discontinuit

    au

    niveau

    du plan

    du

    rotor.

    2.1.2.1.

    On adnret

    que a valeur de Ia

    vitesse

    angulaire

    de

    'air

    au niveau du plan

    du

    rotor

    est

    la moyeme de

    cellessihres

    uste

    avant

    et

    derrire e rotor

    (u,c,

    arBspectivernent)

    wl*ua

    ' :-n-

    Monher que &rB dlat

    2.1.2.5. crire le

    bilan du

    moment

    cintique,

    en proiection

    sur

    l'axe

    Oz,pour

    le

    fluide

    compris

    entre les

    sections

    amulaires

    sihres

    au

    niveau

    de ,9s

    et Sz.

    2.1.2.6.

    Montrer que

    la

    vitesseangulaire uzde I'air

    au

    niveau

    de la section

    ^9z

    st donnepar:

    / - \2

    uz:Zdla' l

    L l

    \tz /

    Cosr:rrenter.

    2.2. Dimensionnement optimal des pales pour une puissance maximale

    2.2.1.

    A l'aide

    de

    a lelation

    de BsRNout

    t suivant

    une ligne de courant entre es

    sections

    5,a

    et

    Ss,

    montrer que

    a

    diffrencede pression

    pA(r)

    -

    pB(r)

    est donnepar :

    pe(r)

    pab)

    f,urlr,

    F)

    2.2.2.

    En dduire l'expression de la force

    lmentaire aciale

    dF

    exerce

    sur

    l'lmentannulaire

    du rotor

    de

    surface dS.

    2.2.3.

    On pose la vitesse

    axiale de

    l'coulenrent

    de

    l'air

    au niveau

    des

    pales :

    ,,

    :

    (1

    -

    a)u1. On

    admet que : dF'

    -

    pa(u1-

    w)ds

    et

    que la

    relation

    (1)

    est

    toujours vrifie, Dterrriner le factanr

    d'interfrrence angentiel at en fonction de a, u1,r t O.

    2.2.4. En

    utilisant

    Ia

    relation

    (4),

    dterminer

    la

    puissance

    extraite

    P

    en

    fonction

    de

    p,

    dl, R, a1

    et a.

    2.2.5.

    Dterrtiner la

    valeur

    de o pour laquelle

    P t

    maximale. Donner les

    expressions

    corre-

    spondantes de

    la puissance

    maxinale

    et

    des

    vitesses

    a

    etaz. Comnenter.

    2.2.6. I-a puissance ma:cimale

    est

    la

    mme

    que

    celle

    dorure par la relation

    (2r,

    condition

    d'utiliser

    la

    valeur de

    o

    que

    l'on pourrait

    dduire de

    la

    qr,testionprcdente. Dtenniner l'expression

    de

    la

    vitesse de

    rotation O

    de

    l'hlice, en fonction de at

    et

    R,

    qui

    correspond I'erdraction maximale

    depuissance.

    preuvede

    Physique

    5/7

    "

    Tournezapages.V.P.

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    7/8

    Concours

    National Commun

    -

    5ession2010

    -

    Filire

    pSI

    Figure

    2:

    Schmade principe

    d'un

    altemateur.

    2.2.7.

    On utilise

    les donnfus numriques

    de la question

    1.3.6.

    Calculer l,a

    valeur de lia

    vitesse

    de

    rotation

    O de l'hlice

    qui

    correspond

    l'extraction

    maximale

    de

    puissance.

    Exprimer

    le

    rsultat

    en

    nombre

    de tours par

    minute.

    3h" partie

    Conversion

    de l'nergie

    mcanique

    en

    nergie

    lectrique

    La

    conversion

    de llnergie

    mcanique

    en

    nergie

    lectrique

    est

    effectue par

    une machine

    lectrique

    appele

    alternateur.

    Pour

    un altemateur

    dassique

    toumnnt

    3000

    tr.min-L,le

    rotor

    de

    I'altemateur

    est accoupl

    par

    I'interurdiaire

    d'un multiplicateur

    de

    vitesse.

    Cependang

    pour

    des

    ,,oliennes e puissancemcanique infrieure LOkW,le rotor esf accoupl directement farbre de

    l'hlice.

    C'est

    ce demier

    cas qu'on

    supposera

    par la

    suite.

    3.1.

    Principe

    de la

    conversion

    lectromcanique

    Une

    reprsentation

    simplifie

    d'un

    altemateur,

    dit monophas

    est donne

    sur la figure

    Z-a.

    l,

    comporte

    un cadle

    rcctngulaire

    Cr sur

    leguel

    on a enroul

    JV

    spires.

    Ce

    cadre tourne

    dans

    un

    cttamP

    magntique

    unifonr,re

    et

    constant E

    :

    B

    ?, autour

    de

    son

    axe de

    symtrie

    A que l'on

    Prrrd

    corme

    axe

    Oz.

    On

    note

    ?t k

    vecteur

    nornralice

    qui

    oriente

    le serrs

    de parcours

    d

    cadre.

    On

    note

    0l'angJe

    orient

    0

    :

    (

    n,r).

    k cadre

    est e^t"aine

    par

    l'arce

    de

    l'olienne

    et tourne

    lia

    vitesse

    angutirc CI

    0.

    On prendra :0(t

    :0)

    :

    0.

    3.1.1.

    tablir l'expression

    du flux

    r

    du

    champ magntique

    travers

    une

    spirc de

    Cr en

    fonction

    de la

    surface

    du cadre Sc, B

    et0.

    3'1.2. tr

    apparat

    aux

    extrmits

    de

    l'enroulement

    des

    JV

    spires

    de

    Cu une

    force

    lectromotrice

    :r

    que

    I'on

    exprinrera

    en

    fonction

    de S", N,8,0

    et0. Prciser

    en

    particrrlier

    sa pulsationare

    en

    fonction

    de la vitesse

    de

    rotation

    O

    de

    la

    madrine.

    3.1.3.

    Uenroulernent

    de

    rsistance

    R. et d'inductance

    propre

    L,

    est

    connect

    une

    chaqge

    rsistive

    de rsistance

    r?.

    Reprsenter

    le circuit

    lectrique

    quivalent;

    on prendra

    soin de faire

    apparaltre

    sur

    le

    circuit

    lorierrtation

    de la f..m.

    et du

    courant i1

    qui

    le parcourt.

    Donner

    l'expression

    de

    rr. On pourra

    poser4: R* *

    j

    Lu" l'impdancequivatentde l,nroulement,avec 2': -1.

    preuve

    de Physique

    I

    6/7

    -)

  • 7/25/2019 2010 Physique 1

    8/8

    Concours

    National

    Commun - Session

    2010

    -

    Filire

    PSI

    3.1.4.

    On

    rappelle que

    le

    moment

    des

    forces

    de

    LaprecE

    s'exerantsur

    le

    circuit

    C1 baignant

    dansun"ta*pmagnt iqu"?.rr r i for*evaut, lr : f r r r?otfr

    :Ni,1Sd1

    est lemo-ment

    magntiquedu

    cadre

    Cr.

    On

    notera

    "I

    le

    moment d'inertie par rapport

    l'arce

    A

    du cadre Cr

    et

    de l'axe de

    ltlice dont

    il

    est solidaire. On

    supposera

    que les liaisons

    avec

    'axe sont

    parfaites.

    3.1.4.1. Dterminer l'expressionen fonction du tempsdu moment r des orcesde Lepracn

    que

    subit

    le cadre Cr.

    3.1.4.2.

    Par

    application

    du thorme du moment

    cintique par rapport

    l'axe

    ,

    trouver

    une

    quation diffrentielle en d reliant

    ,

    "t

    le moment lr

    :

    T;

    ra""

    r*iorrs exercespar

    l'hlice

    sur

    La

    partie toumante.

    3.1.5. En rgirne

    permanent,

    la vitesse

    angulaire O

    est constante.

    Dterminer

    l'expression

    de

    (l,vr),

    la

    valeur

    moyerure

    dans

    le

    temps de

    fi6. En

    ddui la puissance mcanique

    moyenne

    P,'

    foumie

    par

    l'hlice

    la gnratrice

    en

    fonction

    des

    donnes

    du problme.

    3.1.6. Dtenniner

    en

    rgime permanent la puissance

    moyenne

    lectrique

    Pe

    mise

    en

    jeu

    dans

    le gnrateurde f.e.m.e1.ComparerPePm. Commenter.

    3.2.

    Adaptation d'impdance

    Un

    second cadre

    identique

    @,

    solidaire du

    prenrier

    et

    s'en

    dduisant par une rotation

    de

    +[,

    complte le

    dispositif

    (figure

    2-b).

    On

    notera izle vecteur

    normal ce second

    cadre. Uensemble

    forrte

    ce qu'on appelle

    un

    altemateur diphas. On nglige

    l'inductance mutuelle

    entre les

    deux

    enroulements.

    3.2.1. Exprimer

    Ia

    f..m.

    ez

    {d

    apparat

    aux bomes

    deC2.

    3.2.2.

    Les

    deux cadres

    Cr

    et Cz sont connects une mme

    charge

    dttilisation

    d'impdance

    Z*:R"+jX-

    3.2.2.1. Reprsentere circuit lectriquequivalent.

    3.2.2.2.

    Le

    circuit

    prcdentpeut

    tre

    reprsent

    par le

    schmaquivalent

    de

    la figure

    3.

    tabtir es

    e4pressionse

    e

    en fonctionde e1et

    e2,

    et de

    Qen

    fonction

    de

    2..

    Figote 3: Sctrmaquivalent

    de

    l'altemateur

    associ

    une chafge.

    3.2.3. Dterrriner

    l'expression de

    la

    puissance moyenne

    P"

    dlivre

    la

    charge.

    3.2.4.

    Pour quelle charge ia puissance

    P"

    est-elle maximale

    ?

    Commenter.

    Fn*Inn L'PRuvE

    preuve

    de Physique I 7

    /7

    FD{