PHYSIQUE – TP

PT Paul Constans – Sciences Physiques – 1/4

Compétences expérimentales au programme : Pertes de charge singulière et régulière. Modifier la relation de Bernoulli afin de tenir compte de la dissipation d'énergie due

aux frottements. Mettre en évidence une perte de charge.

Volume : avec une pipette, éprouvette, fiole, burette. Sélectionner et utiliser le matériel adapté à la précision requise.

Mesurer une pression. Mettre en œuvre un capteur, en distinguant son caractère différentiel ou absolu.

Problématique : Comment mesurer des pertes de charge régulières et singulières ? Objectifs : Comparer l’énergie perdue par le fluide du fait des frottements visqueux dans différentes canalisations. Cette énergie perdue est appelée perte de charge et peut être mesurée par une différence de pression ∆��.

- Manipulation 1 : Mesurer des pertes de charges régulières et discuter de l’influence du matériau de la conduite. - Manipulation 2 : Mesurer des pertes de charges singulières et discuter de la nature de « l’accident ».

Cours associés :

- PT : statique des fluides, description d’un fluide en écoulement et bilans d’énergie.

A faire pour le mercredi 24/01 : - Lire entièrement le sujet - Répondre aux questions 1 à 5 et 7 à 9

Notion de perte de charge (cf PT « Bilans d’énergie » § 3) 1. Rappeler l'origine des pertes de charge.

On considère une circulation de fluide réel à altitude constante dans une canalisation de section constante

sans partie mobiles.

2. Montrer que la perte de charge s'écrit entre deux points A (amont) et B (aval) de la canalisation :

∆�� � �� � �� (homogène à une pression). On exprime également la perte de charge en mètre. Donner

son expression.

Manipulation 1 : Pertes de charge régulières

Poste utilisé :

Le banc de perte de charge utilise de l’eau

qui circule en circuit fermé à partir d’un

réservoir situé derrière l’armoire

électrique.

L’eau sort au bas du réservoir et traverse

une pompe centrifuge. Celle-ci permet au

fluide d’atteindre la canalisation haute

avant de pouvoir être orientée vers cinq

canalisations horizontales placées en

parallèle.

Mécanique des fluides : Bilan énergétique

"Pertes de charge dans un écoulement"

PHYSIQUE – TP

PT Paul Constans – Sciences Physiques – 2/4

Mesure de débit : Niveau d'un flotteur (cf annexe du TP).

Mesure de pression absolue : indiquée sur l’armoire électrique (en bar).

3. Cf annexe du cours : Donner l’expression de la perte de charge régulière ∆��, en fonction des

caractéristiques de l'écoulement (longueur et diamètre de la canalisation, masse volumique et vitesse du

fluide) et au coefficient de perte de charge régulière λ : formule de Darcy.

4. Proposer un protocole permettant de vérifier cette formule dans le tube en acier.

5. Proposer un protocole permettant de comparer les pertes de charge le long d’un tube en acier et en

PVC.

Mettre en œuvre les protocoles précédents :

- Les prises de pression pour le tube en acier sont les n° 10 et 11 ; celles du tube en PVC sont les n°

19 et 20 ;

- Vous réaliserez une dizaine de mesures à débit décroissant (ne pas revenir en arrière) et pour

chaque débit, vous ferez les mesures de pression pour les 2 tubes.

A tout moment, au moins une vanne d’alimentation des 5 conduites doit être ouverte !

Lors d’une mesure sur une conduite :

- On fermera les vannes d’alimentation des 4 autres conduites

- On fermera toutes les vannes de mesure de pression sauf celle sur laquelle la mesure est faite.

6. Exploiter les résultats expérimentaux afin de :

- valider la formule de Darcy pour chaque matériau ;

- déterminer le coefficient de perte de charge régulière λ, vous analyserez ce résultat pour chaque

matériau à l’aide de l'abaque de Colebrook (ou diagramme de Moody), cf annexe du TP ;

- comparer les pertes de charge régulières dans les 2 matériaux.

Manipulation 2 : Pertes de charge singulières

Poste utilisé :

Le banc de pertes de charge utilise de

l’eau qui circule en circuit fermé à

partir d’un réservoir situé à gauche du

banc.

L’eau sort au bas du réservoir et

traverse un circulateur. Celui-ci

permet au fluide d’atteindre la

pression suffisante pour circuler dans

le réseau de canalisations présentant

une série d'accidents (ou singularités).

Seule la vitesse dont la position est

repérée par un trait blanc sur le

circulateur doit être utilisée.

Mesure de débit : par empotage : à l'aide d'un chronomètre et d'une éprouvette graduée

Mesure de hauteur d'eau : A l'aide des tubes verticaux

7. Cf annexe du cours : Donner la formule liant la perte de charge singulière ∆��,� aux caractéristiques

de l'écoulement (masse volumique et vitesse du fluide) et au coefficient de perte de charge singulière K.

8. Proposer un protocole permettant de vérifier cette formule pour un coude à 90° brusque.

9. Proposer un protocole permettant de comparer les pertes de charge singulières de deux accidents

(élargissement et rétrécissement de la conduite par exemple).

PHYSIQUE – TP

PT Paul Constans – Sciences Physiques – 3/4

Mettre en œuvre les protocoles précédents :

- Les prises de « pression » (en fait hauteurs) pour le coude à 90° brusque sont les n° 7 et 8 ; celles de

l’élargissement et du rétrécissement sont les n° 10, 11 et 12 ;

- Vous réaliserez une dizaine de mesures à débit décroissant (ne pas revenir en arrière) et pour

chaque débit, vous mesurerez les hauteurs de tous les tubes correspondant aux accidents étudiés.

10. Exploiter les résultats expérimentaux afin de :

- valider l’expression de la perte de charge singulière pour chaque « accident » ;

- déterminer le coefficient de perte de charge singulière K, vous analyserez ce résultat pour chaque

accident à l’aide des données de l’annexe du cours ;

- comparer les pertes de charge singulières pour les 2 accidents.

ANNEXE

Caractéristiques techniques (manipulation 1) Organe déprimogène : VENTURI : D = 25 mm et d = 15 mm.

Entre les prises de

pression

Longueur de canalisation

(m)

Diamètre intérieur

(mm) Matériaux

Rugosité

(mm)

7 et 8 2 x 0,57 25 PVC 0,01

8 et 9 2 x 0,57 25 PVC 0,01

10 et 11 2,135 25 Acier galvanisé 0,15

12 et 13 2 x 0,675 ; 0,08 ; 2 x 0,046 25 PVC 0,01

16 et 17 3,124 25 Verre

19 et 20 2,846 25 PVC 0,01

Caractéristiques techniques (manipulation 2) Diamètre petite section : 21,2 mm

Diamètre grande section : 42,5 mm

Diagramme des débits (manipulation 1)

h représente la hauteur atteinte par le haut du flotteur

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Qv

(m3 /

h)

h (cm)

Qv table = f(h)

PHYSIQUE – TP

PT Paul Constans – Sciences Physiques – 4/4

Abaque de Colebrook = Diagramme de Moody