Le tube de Venturi
Le tube de Venturi
Le tube de Venturi (du nom d'un physicien italien du 18ème siècle) est tuyau court présentant un resserrement interne. On l'utilise pour mesurer le débit des fluides. On peut le représenter par l'assemblage de 2 entonnoirs.
La quantité d'air qui passe à l'entrée du tube est identique à celle qui passe au col (passage le plus étroit) et à la sortie : le débit de l'air est constant. Seules les vitesses sont différentes : il se produit une accélération des particules d'air au rétrécissement du tube, jusqu'au passage du col. Puis, la vitesse du vent diminue et retrouve, à la sortie, sa vitesse d'origine.
Un fluide qui passe dans un tel tuyau voit sa pression baisser par le fait de franchir le resserrement, en même temps que sa vitesse s'accroît. En clair, cela signifie que si la section du tube décroit, la vitesse des filets d'air doit alors nécessairement augmenter. Quand la vitesse du fluide augmente, sa pression diminue.
En résumé :
section du tube |
S1 (entrée) |
S2 (col) |
S3 (sortie) |
vitesse du vent |
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Maxi |
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pression statique |
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Mini |
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pression dynamique |
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Maxi |
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pression totale |
CONSTANTE |
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Définitions et formules
La pression atmosphérique
La pression atmosphérique est la pression exercée par l'air qui entoure la terre. Elle varie selon le moment considéré, la température, la latitude et surtout l'altitude. Elleéquivaut à environ 76 cm de Hg au niveau de la mer. 1 atmosphère = 1 bar = 760 mm Hg = 1 kgf / cm2. La pression atmosphérique est mesurée à l’aide des baromètres. Elle permet, en partie, de prévoir le temps. Une chute importante de la pression sur le baromètre de bord annonce l'arrivée d'une dépression souvent génératrice de coup de vent.
La pression statique
La pression statique est la pression de l'air au repos. Elle est égale à la pression atmosphérique et est indépendante de la vitesse. Elle se mesure à l'aide d'un baromètre.
La pression dynamique
La pression dynamique représente la pression exercée par des particules en mouvement (ex : le vent). Elle est proportionnelle à la vitesse de l'air et à sa masse spécifique.
Pd = Pt - Ps
Pd = ½ 
V²
= densité de l'air (masse volumique)
V : vitesse de l'écoulement de l'air
La pression totale
C'est l'addition de la pression dynamique et de la pression statique :
Pt = Pd + Ps = constante
½ V² + Ps = constante
Le débit
Débit d’un fluide (liquide ou gaz) s’écoulant dans une canalisation : quantité de ce fluide qui traverse une section droite de l’écoulement pendant l’unité de temps. La quantité peut s’exprimer soit par le volume, soit par la masse (ou le poids)
Débit volumique : volume de fluide écoulé dans l’unité de temps. Il se mesure en mètre cubes par heure ou en litres par seconde
Loi de conservation du débit volumique : il ne peut pas y avoir accumulation de liquide en un point quelconque du circuit : le débit a donc une valeur constante à travers toute section droite du tuyau, d'où :
S1.V1 = S2.V2 = constante
Applications
Les applications technologiques sont nombreuses : dans le carburateur des automobiles, par exemple, le carburant pénètre à l'état de vapeur à hauteur du resserrement, aspiré par la faiblesse de la pression de l'air qui a emprunté le tuyau. En aviation, ce système convergent-divergent se retrouve au niveau des ailes, entrées d'air, aubes des réacteurs, hélices, turbo-refroidisseurs (boite qui permet d'avoir une bonne température en cabine).
Une petite expérience
Prenez une feuille de papier. Tenez un de ces bords proche de votre bouche et laissez le côté opposé tomber. Soufflez maintenant sur la partie supérieure de la feuille : elle se soulève !
La feuille représente l'aile et vous avez crée le vent relatif.
Explication
Les filets d'air parcourant la courbure supérieure de la feuille créent une dépression qui aspire la feuille vers le haut. Une aile se comporte donc comme un convergent-divergent (tube de Venturi) :
-
les filets d'air supérieurs et éloignés ne sont pas perturbés par la voilure, ils forment la partie supérieure du convergent-divergent
-
les filets d'air proches de la voilure épousent celle-ci, et forment avec elle la partie basse du convergent-divergent
les filets d'air à l'extrados augmentent de vitesse suite à la courbure, il se crée donc une dépression : l'aile est aspirée vers le haut
Contrairement à une idée répandue, ce n'est pas la (sur)pression de l'intrados qui soulève et fait voler l'avion : 70 % de la portance est fournie par la dépression de l'extrados.
L'ensemble "dépression" de l'extrados et "surpression" de l'intrados forme la portance Rz