Temps de Vidange d’un Réservoir Cylindrique

Temps de Vidange d'un Réservoir Cylindrique

Temps de Vidange d'un Réservoir Cylindrique

Contexte : L'écoulement de l'eau, un enjeu d'ingénierie.

Le calcul du temps de vidange d'un réservoir est un problème classique en hydraulique, avec des applications allant du simple réservoir d'eau domestique aux grands barrages hydroélectriques et à la gestion des bassins de rétention d'eaux pluviales. Maîtriser ce calcul permet de dimensionner des systèmes, de prévoir des comportements en régime transitoire et d'assurer la sécurité des installations. Cet exercice applique le théorème de BernoulliPrincipe de conservation de l'énergie pour un fluide en mouvement, qui stipule que la somme de la pression, de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle par unité de volume est constante le long d'une ligne de courant. pour établir et résoudre l'équation qui régit la vidange, en tenant compte des pertes d'énergie inévitables dans un écoulement réel.

Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre comment un principe fondamental (la conservation de l'énergie de Bernoulli) mène à une équation différentielle simple. La résolution de cette équation nous donne une description complète de l'évolution du système (la hauteur d'eau en fonction du temps). C'est une démarche typique de l'ingénieur : modéliser un phénomène physique par une équation, puis la résoudre pour en extraire des informations pratiques.


Objectifs Pédagogiques

  • Appliquer le théorème de Bernoulli entre deux points d'un écoulement.
  • Utiliser la formule de Torricelli pour calculer une vitesse d'éjection idéale.
  • Intégrer le concept de pertes de charge via un coefficient de décharge.
  • Établir une équation différentielle basée sur un bilan de matière.
  • Résoudre l'équation pour calculer un temps de vidange total.

Données de l'étude

On s'intéresse à la vidange d'un réservoir cylindrique vertical, ouvert à l'atmosphère, rempli d'eau. La vidange s'effectue par un orifice circulaire à paroi mince situé sur le fond du réservoir.

Schéma du Réservoir Cylindrique
Surface Libre (Patm) Point A H D Orifice (d) Point B
Paramètre Symbole Valeur Unité
Diamètre du réservoir \(D\) 2 \(\text{m}\)
Hauteur d'eau initiale \(H\) 3 \(\text{m}\)
Diamètre de l'orifice \(d\) 5 \(\text{cm}\)
Coefficient de décharge \(C_d\) 0.62 -

Questions à traiter

  1. Calculer la vitesse théorique initiale (\(v_{\text{th}}\)) de l'eau à la sortie de l'orifice (sans pertes de charge).
  2. Calculer la vitesse réelle initiale (\(v_{\text{réelle}}\)) de l'eau en sortie, en tenant compte du coefficient de décharge.
  3. Établir l'équation différentielle qui décrit la variation de la hauteur d'eau \(h(t)\) dans le réservoir au cours du temps.
  4. Calculer le temps total (\(t_{\text{vidange}}\)) nécessaire pour vider complètement le réservoir.

Données et constantes utiles :

  • Accélération de la pesanteur : \(g = 9.81 \, \text{m}/\text{s}^2\)
  • Masse volumique de l'eau : \(\rho_{\text{eau}} \approx 1000 \, \text{kg}/\text{m}^3\)

Les bases de l'Hydraulique

Avant de plonger dans la correction, revoyons quelques concepts clés pour cet exercice.

1. Théorème de Bernoulli :
Pour un fluide parfait (sans viscosité) et incompressible, ce théorème exprime la conservation de l'énergie le long d'une ligne de courant. Il s'écrit : \[ \frac{P}{\rho g} + z + \frac{v^2}{2g} = \text{constante} \] Chaque terme représente une "hauteur" d'énergie : hauteur de pression, hauteur géométrique (altitude), et hauteur piézométrique (énergie cinétique).

2. Formule de Torricelli :
C'est une application directe de Bernoulli pour le cas de la vidange d'un réservoir. En considérant un point à la surface libre (vitesse quasi-nulle, pression atmosphérique) et un point à l'orifice de sortie (pression atmosphérique), on simplifie l'équation de Bernoulli pour obtenir la vitesse d'éjection théorique : \[ v_{\text{th}} = \sqrt{2gh} \] Où \(h\) est la hauteur de fluide au-dessus de l'orifice.

3. Coefficient de Décharge (\(C_d\)) :
Dans la réalité, les fluides sont visqueux et l'écoulement à travers un orifice subit des contractions (vena contractaRétrécissement de la section d'un jet de fluide à la sortie d'un orifice. La section minimale du jet est plus petite que celle de l'orifice lui-même, ce qui réduit le débit.) et des frottements. Ces pertes de chargeDiminution de l'énergie totale d'un fluide en mouvement, due aux frottements sur les parois (pertes de charge régulières) ou aux accidents de parcours comme les coudes, vannes ou orifices (pertes de charge singulières). réduisent la vitesse et le débit. Le coefficient de décharge \(C_d\) est un coefficient empirique (sans dimension, < 1) qui englobe tous ces effets pour corriger le débit théorique : \[ Q_{\text{réel}} = C_d \cdot A_{\text{orifice}} \cdot v_{\text{th}} \]


Correction : Temps de Vidange d'un Réservoir Cylindrique

Question 1 : Calculer la vitesse théorique initiale

Principe (le concept physique)

La vitesse théorique est la vitesse maximale que l'eau pourrait atteindre si toute l'énergie potentielle due à la hauteur d'eau était convertie en énergie cinétique, sans aucune perte. C'est le cas idéal décrit par la formule de Torricelli.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La formule de Torricelli est analogue à la chute libre d'un objet. La vitesse \(v = \sqrt{2gh}\) est la même que celle qu'atteindrait un objet tombant d'une hauteur \(h\) dans le vide. Cela montre bien que l'énergie potentielle de pesanteur (\(mgh\)) est convertie en énergie cinétique (\(1/2 mv^2\)).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Imaginez que chaque particule d'eau à la surface "tombe" jusqu'à l'orifice. Le théorème de Bernoulli nous confirme que l'intuition de la chute libre est correcte pour un fluide idéal. C'est un point de départ essentiel avant de considérer les imperfections du monde réel.

Normes (la référence réglementaire)

L'application du théorème de Bernoulli entre la surface libre et un orifice est une procédure standard en mécanique des fluides pour établir les conditions de base d'un écoulement par gravité. C'est un principe fondamental enseigné dans tous les cours d'hydraulique.

Formule(s) (l'outil mathématique)

On utilise la formule de Torricelli :

\[ v_{\text{th}} = \sqrt{2gh} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Nous supposons que : 1) Le fluide est parfait (pas de frottement). 2) L'écoulement est incompressible. 3) La vitesse de descente de la surface libre est négligeable devant la vitesse de sortie. 4) La pression à la surface et à la sortie est la pression atmosphérique.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Hauteur d'eau initiale, \(H = 3 \, \text{m}\)
  • Accélération de la pesanteur, \(g = 9.81 \, \text{m}/\text{s}^2\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Notez que \(2g \approx 2 \times 9.81 = 19.62\). Pour une estimation rapide, on peut parfois utiliser \(g \approx 10 \, \text{m}/\text{s}^2\), ce qui donne \(v \approx \sqrt{20h}\). Dans notre cas, \(\sqrt{20 \times 3} = \sqrt{60} \approx 7.7 \, \text{m/s}\), ce qui est proche du résultat exact et permet de vérifier l'ordre de grandeur.

Schéma (Avant les calculs)
Conversion d'Énergie Potentielle en Énergie Cinétique
Énergie potentielle (mgh)Énergie cinétique (½mv²)v = ?
Calcul(s) (l'application numérique)

On applique directement la formule avec la hauteur initiale H.

\[ \begin{aligned} v_{\text{th}} &= \sqrt{2 \times 9.81 \, \text{m}/\text{s}^2 \times 3 \, \text{m}} \\ &= \sqrt{58.86 \, \text{m}^2/\text{s}^2} \\ &\approx 7.67 \, \text{m}/\text{s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Vitesse d'Éjection Théorique
v ≈ 7.67 m/s
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Une vitesse de 7.67 m/s correspond à plus de 27 km/h. C'est une vitesse de sortie considérable, purement due à la pression exercée par la colonne d'eau de 3 mètres. Ce résultat représente une borne supérieure : la vitesse réelle sera forcément inférieure.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas oublier les unités. Le produit \(g \times h\) donne des m²/s². La racine carrée de cette unité donne bien des m/s, une vitesse. Une analyse dimensionnelle rapide permet de s'assurer que la formule est homogène et que le résultat est cohérent.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La vitesse d'éjection idéale ne dépend que de la hauteur de fluide et de la gravité.
  • Elle ne dépend ni de la forme du réservoir, ni de la nature du fluide (sa masse volumique).
  • C'est une application directe de la conservation de l'énergie.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les premières horloges hydrauliques, les clepsydres, fonctionnaient sur ce principe. Pour que le débit soit constant et que le temps s'écoule régulièrement, les ingénieurs de l'Antiquité devaient maintenir une hauteur d'eau constante dans le réservoir principal, souvent en utilisant un système de trop-plein.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La vitesse théorique initiale de sortie est d'environ 7.67 m/s.
Simulateur 3D : Vitesse de Torricelli

Vitesse théorique calculée : 7.67 m/s

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si le réservoir était sur la Lune (où \(g \approx 1.62 \, \text{m}/\text{s}^2\)), quelle serait la vitesse théorique initiale ?

Question 2 : Calculer la vitesse réelle initiale

Principe (le concept physique)

La vitesse réelle est la vitesse théorique corrigée pour tenir compte des phénomènes dissipatifs (pertes de charge) qui se produisent lors de l'écoulement à travers l'orifice. Le coefficient de décharge \(C_d\) est un facteur empirique qui quantifie cette réduction de performance par rapport au cas idéal.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le coefficient de décharge \(C_d\) est en fait le produit de deux autres coefficients : le coefficient de contraction \(C_c\) (rapport entre l'aire de la section contractée et l'aire de l'orifice) et le coefficient de vitesse \(C_v\) (rapport entre la vitesse réelle et la vitesse théorique). \(C_d = C_c \times C_v\). Utiliser \(C_d\) directement sur le débit est une approche pratique qui combine ces deux effets.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Pensez au coefficient de décharge comme à un "rendement" de l'orifice. Un \(C_d\) de 0.62 signifie que l'orifice ne laisse passer que 62% du débit que la théorie idéale prédirait. C'est un concept crucial pour passer des modèles théoriques aux applications d'ingénierie concrètes.

Normes (la référence réglementaire)

Les valeurs du coefficient de décharge sont tabulées dans les manuels d'hydraulique (comme le "Handbook of Hydraulics" de Brater et King) en fonction de la géométrie de l'orifice (paroi mince, arrondie, etc.) et du nombre de Reynolds de l'écoulement. Une valeur de 0.62 est standard pour un orifice à paroi mince en régime turbulent.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Pour le calcul de la vitesse, on peut utiliser le coefficient de vitesse, mais il est courant en pratique d'approximer la vitesse réelle à partir du \(C_d\) directement, même si ce n'est pas rigoureusement exact. Une meilleure approche lie le débit : \(Q_{\text{réel}} = C_d A \sqrt{2gh}\). On en déduit \(v_{\text{réelle}}\) à la section contractée. Ici, on simplifiera en considérant que \(v_{\text{réelle}} \approx C_d \cdot v_{\text{th}}\) ce qui est une approximation souvent utilisée en première approche.

\[ v_{\text{réelle}} \approx C_d \times v_{\text{th}} = C_d \sqrt{2gh} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Nous supposons que le coefficient de décharge \(C_d\) est constant pendant toute la vidange. En réalité, il peut légèrement varier avec la hauteur d'eau (et donc le nombre de Reynolds), mais cette variation est souvent négligeable pour de grandes hauteurs.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Vitesse théorique initiale, \(v_{\text{th}} = 7.67 \, \text{m}/\text{s}\) (de la Q1)
  • Coefficient de décharge, \(C_d = 0.62\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Multiplier par 0.62 revient à prendre environ 60% de la valeur, soit un peu plus de la moitié. 60% de 7.7 m/s c'est \(0.6 \times 7.7 \approx 4.6\) m/s. Cela permet de vérifier rapidement que le résultat n'est pas aberrant.

Schéma (Avant les calculs)
Prise en Compte des Pertes de Charge
Énergie disponible (Idéal)Énergie disponible (Réel)Pertes de charge
Calcul(s) (l'application numérique)

On applique directement le coefficient de décharge à la vitesse théorique.

\[ \begin{aligned} v_{\text{réelle}} &= 0.62 \times 7.67 \, \text{m}/\text{s} \\ &\approx 4.76 \, \text{m}/\text{s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Vitesse Réelle vs Vitesse Théorique
Vitesse Théorique :7.67 m/sVitesse Réelle :4.76 m/s(~38% de pertes)
Réflexions (l'interprétation du résultat)

La vitesse réelle est significativement plus faible que la vitesse théorique (environ 62% de celle-ci). Cela signifie que près de 38% de l'énergie potentielle initiale est "perdue" (en réalité, convertie en chaleur et en turbulence) lors du passage de l'eau à travers l'orifice. Ignorer les pertes de charge conduirait à une sous-estimation massive du temps de vidange.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Le coefficient de décharge est un facteur multiplicatif, pas soustractif. C'est un rapport de performance. De plus, il est sans dimension. Assurez-vous de ne pas lui attribuer d'unité, ce qui fausserait toute analyse dimensionnelle ultérieure.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La vitesse réelle est toujours inférieure à la vitesse théorique.
  • Le coefficient de décharge \(C_d\) quantifie l'efficacité d'un orifice.
  • \(C_d\) dépend de la géométrie et des conditions d'écoulement (nombre de Reynolds).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Pour minimiser les pertes de charge et approcher un \(C_d\) de 1, les ingénieurs conçoivent des "tuyères", des orifices aux bords arrondis et profilés qui guident le fluide en douceur. Les tuyères des moteurs de fusée sont un exemple extrême de cette optimisation.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La vitesse réelle initiale de l'eau en sortie est d'environ 4.76 m/s.
Simulateur 3D : Effet des Pertes de Charge

Vitesse réelle calculée : 4.76 m/s

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si l'orifice avait un bord bien arrondi, donnant un \(C_d\) de 0.95, quelle serait la vitesse réelle initiale ?

Question 3 : Établir l'équation différentielle

Principe (le concept physique)

Le principe de conservation de la masse est appliqué au volume d'eau dans le réservoir. La variation du volume d'eau au cours du temps (\(dV/dt\)) est égale au débit sortant (\(Q_s\)), avec un signe négatif car le volume diminue. C'est ce qu'on appelle un bilan de matière.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Pour un volume de contrôle (le réservoir), le bilan de masse s'écrit : Taux d'accumulation = Débit entrant - Débit sortant. Ici, il n'y a pas de débit entrant. Le taux d'accumulation est \(dV/dt\). Le volume d'un cylindre est \(V = A_r \cdot h\), où \(A_r\) est l'aire de la base du réservoir. Donc, \(dV/dt = A_r \cdot (dh/dt)\). Le débit sortant est \(Q_s = A_o \cdot v\), où \(A_o\) est l'aire de l'orifice. En égalant les deux, on obtient l'équation différentielle.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Ne soyez pas intimidé par le terme "équation différentielle". Il s'agit simplement d'exprimer une relation entre une grandeur (la hauteur \(h\)) et sa vitesse de variation (\(dh/dt\)). C'est le langage mathématique pour décrire un système qui évolue dans le temps.

Normes (la référence réglementaire)

L'établissement d'une équation de bilan est la méthode standard et universelle pour modéliser tout système dynamique en physique et en ingénierie, que ce soit pour un bilan de masse, d'énergie, de quantité de mouvement, etc.

Formule(s) (l'outil mathématique)

L'équation du bilan de masse s'écrit :

\[ \frac{dV}{dt} = -Q_s \Rightarrow A_r \frac{dh}{dt} = -A_o v_{\text{réelle}} \]

En remplaçant la vitesse par son expression en fonction de h :

\[ \frac{\pi D^2}{4} \frac{dh}{dt} = - \frac{\pi d^2}{4} C_d \sqrt{2gh} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Nous continuons avec les hypothèses précédentes. La principale ici est que le réservoir est bien cylindrique sur toute sa hauteur, ce qui rend l'aire de la surface libre \(A_r\) constante.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Il s'agit d'une étape de mise en équation, nous utilisons les symboles \(D, d, C_d, g, h\).

Astuces(Pour aller plus vite)

Les facteurs \(\pi/4\) des deux côtés de l'équation se simplifient immédiatement. L'équation se réduit à \(D^2 (dh/dt) = -d^2 C_d \sqrt{2gh}\). Retenir cette forme simplifiée peut faire gagner du temps.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan de Volume sur un intervalle dt
h(t)h(t+dt)dhVolume perdu = dVDébit sortant Qs
Calcul(s) (l'application numérique)

L'objectif est d'isoler \(dh/dt\) et de regrouper les termes constants.

1. Simplifier l'équation :

\[ D^2 \frac{dh}{dt} = - d^2 C_d \sqrt{2g} \sqrt{h} \]

2. Isoler \(dh/dt\) :

\[ \frac{dh}{dt} = - \left( \frac{d^2}{D^2} C_d \sqrt{2g} \right) \sqrt{h} \]

3. On peut poser \(K = \frac{d^2}{D^2} C_d \sqrt{2g}\) pour simplifier l'écriture.

\[ \frac{dh}{dt} = -K \sqrt{h} \]
Schéma (Après les calculs)
Équation Différentielle de la Vidange
dh/dt = -K √hLa vitesse de descente est proportionnelle à la racine de la hauteur.
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Cette équation nous dit que la vitesse à laquelle le niveau d'eau baisse (\(dh/dt\)) n'est pas constante. Elle est maximale au début (quand \(h\) est grand) et diminue à mesure que le réservoir se vide. C'est intuitif : le jet d'eau est beaucoup plus fort quand le réservoir est plein que lorsqu'il est presque vide.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Le signe "moins" est crucial. Il indique que la hauteur \(h\) diminue avec le temps. L'oublier conduirait à une solution mathématique absurde où le réservoir se remplirait tout seul !

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La modélisation d'un système dynamique commence par un bilan de masse (ou d'énergie).
  • La vidange d'un réservoir est un processus non-linéaire (à cause du \(\sqrt{h}\)).
  • L'équation différentielle lie la variation d'une grandeur à la grandeur elle-même.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Si le réservoir était de forme conique (pointe en bas), l'aire de la surface libre \(A_r\) dépendrait de \(h\), rendant l'équation différentielle un peu plus complexe. Les réservoirs de type "château d'eau" ont souvent des formes complexes pour optimiser la pression dans le réseau de distribution.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'équation différentielle régissant la hauteur d'eau est : \(\frac{dh}{dt} = - \frac{d^2 C_d \sqrt{2g}}{D^2} \sqrt{h}\).
Simulateur 3D : Dynamique de la Vidange

Vitesse de descente dh/dt : -1.2 mm/s

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on double le diamètre de l'orifice (\(d \rightarrow 2d\)), par quel facteur le terme constant \(K\) de l'équation est-il multiplié ?

Question 4 : Calculer le temps de vidange total

Principe (le concept physique)

Pour trouver le temps total, il faut "résoudre" l'équation différentielle, c'est-à-dire trouver la fonction \(h(t)\) qui la satisfait. En mathématiques, cela s'obtient par intégration. On intègre l'équation entre l'état initial (temps t=0, hauteur H) et l'état final (temps \(t_f\), hauteur 0).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

L'équation est dite "à variables séparables". On peut regrouper tous les termes en \(h\) d'un côté et tous les termes en \(t\) de l'autre : \( \frac{dh}{\sqrt{h}} = -K dt \). On intègre ensuite chaque côté entre les bornes correspondantes : \(\int_{H}^{0} h^{-1/2} dh = \int_{0}^{t_f} -K dt \). La résolution de ces intégrales donne directement la valeur de \(t_f\).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

L'intégration est comme une "sommation" continue. En intégrant le débit sortant sur toute la durée, on retrouve le volume total initial. C'est une autre façon de voir le problème. Ici, on intègre la relation entre la hauteur et le temps pour trouver la durée totale du processus.

Normes (la référence réglementaire)

La résolution d'équations différentielles par séparation de variables et intégration définie est une technique mathématique standard fondamentale pour tout ingénieur ou physicien modélisant des phénomènes temporels.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Après intégration et résolution, on obtient la formule du temps de vidange :

\[ t_{\text{vidange}} = \frac{D^2}{d^2 C_d} \sqrt{\frac{2H}{g}} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Les hypothèses sont les mêmes que pour l'établissement de l'équation différentielle. Nous supposons que le modèle reste valide jusqu'à ce que la hauteur devienne nulle.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Diamètre du réservoir, \(D = 2 \, \text{m}\)
  • Hauteur d'eau initiale, \(H = 3 \, \text{m}\)
  • Diamètre de l'orifice, \(d = 5 \, \text{cm} = 0.05 \, \text{m}\)
  • Coefficient de décharge, \(C_d = 0.62\)
  • Accélération de la pesanteur, \(g = 9.81 \, \text{m}/\text{s}^2\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Notez que le terme \(\sqrt{2H/g}\) est l'inverse de la vitesse de Torricelli divisée par H. C'est en fait le temps qu'il faudrait pour vider le réservoir si le débit initial restait constant. Le facteur \( (D/d)^2 / C_d \) est un grand nombre qui montre à quel point la vidange est plus lente que ce cas hypothétique.

Schéma (Avant les calculs)
Processus Complet de la Vidange
t = 0, h = Ht = t_vidange, h = 0t = ?
Calcul(s) (l'application numérique)

1. S'assurer que toutes les dimensions sont en mètres.

\[ d = 5 \, \text{cm} = 0.05 \, \text{m} \]

2. Calculer le terme sous la racine :

\[ \begin{aligned} \sqrt{\frac{2H}{g}} &= \sqrt{\frac{2 \times 3 \, \text{m}}{9.81 \, \text{m}/\text{s}^2}} \\ &= \sqrt{0.6116 \, \text{s}^2} \\ &\approx 0.782 \, \text{s} \end{aligned} \]

3. Calculer le facteur des sections :

\[ \begin{aligned} \frac{D^2}{d^2 C_d} &= \frac{(2 \, \text{m})^2}{(0.05 \, \text{m})^2 \times 0.62} \\ &= \frac{4 \, \text{m}^2}{0.0025 \, \text{m}^2 \times 0.62} \\ &= \frac{4}{0.00155} \\ &\approx 2580.6 \end{aligned} \]

4. Multiplier les deux termes :

\[ \begin{aligned} t_{\text{vidange}} &= 2580.6 \times 0.782 \, \text{s} \\ &\approx 2018 \, \text{s} \end{aligned} \]

5. Convertir en minutes :

\[ \begin{aligned} t_{\text{minutes}} &= \frac{2018 \, \text{s}}{60 \, \text{s}/\text{min}} \\ &\approx 33.6 \, \text{minutes} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Durée de la Vidange
≈ 33.6 minutes
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Il faut près de 34 minutes pour vider le réservoir. Ce temps est très sensible aux diamètres (termes au carré). Un orifice légèrement plus grand ou un réservoir légèrement plus petit réduirait drastiquement ce temps. Cette sensibilité est un point clé dans le dimensionnement des systèmes de drainage.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus commune ici est la conversion d'unités pour le diamètre de l'orifice (cm en m). Comme les diamètres sont au carré, une erreur d'un facteur 100 sur \(d\) (\(0.05\) vs \(5\)) entraîne une erreur d'un facteur \(100^2=10000\) sur le résultat final, menant à un temps de vidange minuscule et physiquement absurde.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • Le temps de vidange est proportionnel à la racine carrée de la hauteur initiale.
  • Il est proportionnel au carré du diamètre du réservoir (\(D^2\)).
  • Il est inversement proportionnel au carré du diamètre de l'orifice (\(1/d^2\)).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Le tourbillon qui se forme à la fin de la vidange (comme dans un évier) est un phénomène complexe lié à la conservation du moment cinétique (effet Coriolis pour les très grands réservoirs). Il peut légèrement modifier le coefficient de décharge et ralentir la toute fin de la vidange, un effet que notre modèle simple ne prend pas en compte.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le temps total pour vider le réservoir est d'environ 2018 secondes, soit 33.6 minutes.
Simulateur 3D : Temps de Vidange

Temps de vidange calculé : 33.6 minutes

A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on voulait vider le réservoir en 10 minutes exactement, quel devrait être le diamètre de l'orifice en cm ?


Outil Interactif : Paramètres de Vidange

Modifiez les paramètres du réservoir pour visualiser leur impact sur la courbe de vidange et le temps total.

Paramètres d'Entrée
3.0 m
2.0 m
5 cm
Résultats Clés
Temps de vidange (minutes) -
Vitesse initiale (m/s) -
Débit initial (L/s) -

Le Saviez-Vous ?

Le phénomène de la "vena contracta", ou contraction de la veine liquide, a été décrit pour la première fois par Isaac Newton. Il a observé que le diamètre d'un jet d'eau sortant d'un orifice se rétrécit juste après la sortie, atteignant un diamètre minimal d'environ 80% du diamètre de l'orifice. C'est la principale cause de la réduction du débit réel par rapport au débit théorique.


Foire Aux Questions (FAQ)

Que se passe-t-il si le réservoir n'est pas ouvert à l'atmosphère ?

Si le réservoir est fermé et hermétique, la vidange créera un vide partiel au sommet, aspirant la surface de l'eau vers le haut. La pression à la surface libre ne sera plus la pression atmosphérique mais diminuera, ce qui ralentira considérablement l'écoulement, voire l'arrêtera complètement si la dépression devient trop forte.

La forme du réservoir a-t-elle une influence ?

Absolument. La vitesse de sortie ne dépend que de la hauteur \(h\), mais le temps de vidange total dépend de la relation entre le volume et la hauteur. Pour un réservoir conique ou sphérique, l'aire de la surface libre \(A_r\) n'est pas constante mais dépend de \(h\), ce qui modifie l'équation différentielle et la formule du temps de vidange.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si on double le diamètre du réservoir (\(D\)), le temps de vidange total sera...

2. Un coefficient de décharge \(C_d = 1\) signifierait que...


Théorème de Bernoulli
Principe fondamental de la dynamique des fluides qui établit une relation de conservation de l'énergie le long d'une ligne de courant pour un fluide parfait.
Pertes de Charge
Perte d'énergie (ou de pression) d'un fluide en mouvement due aux forces de frottement. On distingue les pertes de charge régulières (le long d'un conduit) et singulières (au niveau d'obstacles comme un orifice).
Vena Contracta
Phénomène de rétrécissement d'un jet de fluide à la sortie d'un orifice, où la section transversale du jet devient plus petite que celle de l'orifice lui-même.
Temps de Vidange d'un Réservoir Cylindrique

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