Unité d’enseignement : GM · S2 · UE1 — Analyse des matériaux et mécanique des fluides

Ce cours introduit les principes fondamentaux de la mécanique des fluides et leur application aux installations industrielles et agricoles rencontrées au Niger : réseaux d’eau potable, stations de pompage, motopompes d’irrigation des cultures maraîchères de la vallée du fleuve, circuits de refroidissement des groupes électrogènes, canalisations de gazole ou de brut (SORAZ). L’étudiant apprend à décrire un fluide, à calculer les pressions et les forces qu’il exerce au repos, puis à analyser un écoulement en conduite grâce aux équations de continuité, de Bernoulli et, qualitativement, de Navier-Stokes. Le cours se termine par le calcul des pertes de charge et de la hauteur manométrique totale nécessaire au choix d’une pompe.

Objectifs d’apprentissage

• Définir les propriétés d’un fluide (masse volumique, densité, viscosité dynamique et cinématique) et manipuler leurs unités.
• Appliquer la loi fondamentale de l’hydrostatique au calcul de pressions, de manomètres et de forces sur des parois.
• Écrire et utiliser l’équation de continuité et identifier le régime d’écoulement par le nombre de Reynolds.
• Appliquer l’équation de Bernoulli (Venturi, Torricelli, puissance d’une pompe).
• Situer l’équation de Navier-Stokes et calculer les pertes de charge régulières et singulières d’une installation.
• Déterminer la hauteur manométrique totale et la puissance d’une pompe d’irrigation ou de distribution.

Prérequis

Physique générale (force, pression, énergie, puissance), notions de débit et de viscosité, calcul algébrique et manipulation des unités SI.

Plan du cours

1. Leçon 1 — Propriétés des fluides et statique des fluides
2. Leçon 2 — Cinématique des fluides : débit, continuité et régimes d’écoulement
3. Leçon 3 — Dynamique des fluides parfaits : équation de Bernoulli et applications
4. Leçon 4 — Fluides réels : Navier-Stokes, pertes de charge et installations de pompage

Modalités d’évaluation

Volume horaire : 20 h de cours magistral (CM), 10 h de travaux dirigés (TD), 0 h de travaux pratiques, 30 h de travail personnel de l’étudiant (TPE) ; 3 crédits. Évaluation : contrôle continu (devoirs de TD, quiz en ligne, 40 %) et examen terminal écrit (60 %) portant sur des exercices de calcul.

Bibliographie

• Fox R. W., McDonald A. T., Pritchard P. J., Introduction to Fluid Mechanics, Wiley.
• White F. M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill.
• Comolet R., Mécanique expérimentale des fluides, tomes 1 et 2, Masson/Dunod.
• Idel’cik I. E., Memento des pertes de charge, Eyrolles.
• Candel S., Mécanique des fluides, Dunod.

Le cours Analyse des matériaux et résistance (UE1 « Analyse des matériaux et mécanique des fluides », semestre 2) relie deux questions que le technicien supérieur en génie mécanique se pose en permanence : de quoi est faite la pièce et va-t-elle tenir ? Il présente les grandes familles de matériaux (métaux et alliages, polymères, composites), leurs propriétés mécaniques et physiques, puis les bases de la résistance des matériaux (RDM) : contraintes, déformations, loi de Hooke, sollicitations simples (traction, compression, cisaillement, torsion, flexion). Il se termine par les essais normalisés (traction, dureté, résilience) et par une méthode rationnelle de choix des matériaux.

Les exemples sont tirés des installations nigériennes : arbre de motopompe d’irrigation, tirants de charpente, poutres de pont roulant d’atelier, clavettes de réducteur de broyeur de cimenterie, pièces d’usure des engins miniers d’Arlit, conduites exposées aux fortes amplitudes thermiques du Sahel.

Objectifs d’apprentissage

• Décrire les familles de matériaux et comparer leurs propriétés (masse volumique, module d’Young, limite élastique, dilatation).
• Calculer contraintes, déformations et allongements en traction-compression et vérifier une condition de résistance avec un coefficient de sécurité.
• Dimensionner un élément sollicité en cisaillement (clavette, goupille), en torsion (arbre) et en flexion simple (poutre).
• Exploiter les résultats d’un essai de traction, de dureté Brinell et de résilience Charpy.
• Choisir un matériau à l’aide d’un indice de performance et de critères de coût, de disponibilité et d’environnement.

Prérequis

Notions de base en physique (forces, unités SI, moments) et en chimie des matériaux (atomes, liaisons) ; calcul algébrique et trigonométrie du S1.

Plan du cours

1. Propriétés des matériaux : métalliques, polymères et composites
2. Élasticité : contraintes et déformations en traction-compression
3. Cisaillement, torsion et flexion simple
4. Essais mécaniques et choix des matériaux

Modalités d’évaluation

Volume horaire : 20 h de cours magistral (CM), 10 h de travaux dirigés (TD), 0 h de TP et 30 h de travail personnel de l’étudiant (TPE) ; 3 crédits. Évaluation : contrôle continu (exercices de TD, quiz en ligne, devoir surveillé) et examen terminal écrit portant sur des calculs de dimensionnement et des questions de cours.

Bibliographie

• W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Materials Science and Engineering: An Introduction, Wiley.
• S. P. Timoshenko, Strength of Materials (Parts I et II), Van Nostrand.
• M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Butterworth-Heinemann.
• J.-L. Fanchon, Guide de mécanique : sciences et technologies industrielles, Nathan.
• J.-P. Baïlon, J.-M. Dorlot, Des matériaux, Presses internationales Polytechnique.