Un peu de théorie
On considère un fluide non visqueux, incompressible en écoulement laminaire
indépendant du temps. (écoulement dit "stationnaire").
Dans ce cas, on démontre
qu'il existe une fonction F (potentiel des vitesses)
telle que le vecteur vitesse est :
v = grad (F).
On
montre que F satisfait à l'équation de Laplace DF
= 0.
Dans le cas général, il n'existe pas de solution analytique au problème
de Laplace.
Dans
le cas particulier d'un écoulement laminaire autour d'un cylindre de rayon R
d'axe normal à la vitesse du fluide,
les conditions aux limites sont simples et symétriques :
Loin à gauche du
cylindre la vitesse est parallèle à Ox et elle est dirigée vers la droite.
Sur
le cylindre, la vitesse est tangente
au cylindre (Vr = 0) et à grande distance à droite, la vitesse est à nouveau
parallèle à Ox.
En utilisant un système de coordonnées cylindriques (r, q,
z) ou polaires (le problème est un problème plan) on peut vérifier que si v0 désigne la vitesse à l'infini
le
potentiel F = v0(r + R2
/r).cos(q) est solution de l'équation de Laplace.
Démontrer
en utilisant l'expression du gradient en coordonnées cylindriques (polaires)
que :
La
vitesse radiale vaut : Vr = v0(1- R2/r2).cos(q) .
et que la vitesse normale vaut : Vt = - v0(1
+ R2/r2).sin(q).
A
partir de l'expression de la vitesse, il est possible de tracer les lignes de
courant dans le fluide.
L'applet
L'applet simule
les lignes de courant perturbées par le cylindre.
Une boite de dialogue permet
de faire varier le rayon du cylindre entre 1 et 5 cm.
La vitesse à grande
distance de l'origine est choisie faible ( 1 cm/s) pour assurer le régime laminaire.